5月3日，一名科研人员在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室内调整操作台上的激光干扰器。

5月3日，中科院发布了一个“重磅消息”：中国量子计算机诞生。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。

新闻发布会上首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力，并在世界上首次成功实现十个超导量子比特纠缠，打破此前的世界纪录，在基于超导体系的量子计算机研究方面取得突破性进展。

中国科学技术大学的潘建伟团队联合浙江大学王浩华等自主研发了十比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。

在光量子计算方面，潘建伟及其同事陆朝阳等利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，并通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。

官方公布的实验测试声称，该原型机的取样速度比国际同行快至少24000倍，同时，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍。

以前，量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中，而该台原型机将这一理论变成现实迈出了坚实的第一步，把量子计算机真正推向和经典计算机竞争的擂台。

中国量子：奠定“量子称霸”基础

量子计算机是指利用量子相干叠加原理，理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。当某个物理装置运算、存储和处理的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

随着可操纵的粒子数的增加，量子计算机的计算能力呈指数增长，可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案，具有巨大的发展潜力。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对一些特定问题的处理能力甚至比超级计算机更强。

量子计算机是国际研究热点，世界各国的科学家们为之设计了多种技术实现路径，其中，国际学术界在基于光子、超冷原子和超导线路这3种体系的量子计算技术发展上总体较为领先。也就是说，现在进展最快的有3类量子计算机：光量子计算机、超冷原子量子计算机、超导量子计算机。

我国科学家5月3日发布的量子计算机成果，其实是两个，分别属于光量子计算机和超导量子计算机范畴。

在光量子计算机领域，中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授领导的团队，研制出一种操控5个粒子（即5个光量子比特）的光量子计算原型机，在完成“玻色取样”任务时，它的速度不仅比国际同行之前所有类似实验的最高纪录加快至少24000倍，同时，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机ENIAC和第一台晶体管计算机TRADIC的运行速度快10倍—100倍。

“玻色取样”是计算复杂度随着粒子数的增加而指数增长的一类数学问题，特别适合用量子计算机来计算。

“与我们这台超越早期经典计算机的量子计算原型机比起来，之前报道过的同类量子计算机只是没法实用的游戏机。”潘建伟说。

5月2日，该研究成果以长文的形式在线发表于《自然·光子学》。审稿人评价称，中国科学家“建造出了第一代量子计算机，是量子计算机中的ENIAC”（ENIAC是人类历史上第一台电子管计算机）。

“玻色取样”任务中，目前最快的超级计算机能处理约45个粒子。“我们计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵，对玻色取样问题的计算能力就能超越现有最好的商用CPU电子计算机。”潘建伟说。

在超导量子计算机领域，我国科学家也取得了重大突破。

在超导体系，2015年，谷歌、美国航空航天局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个记录在2017年被中国科学家团队首次打破。中国科学技术大学教授朱晓波、浙江大学教授王浩华的研究团队和陆朝阳、潘建伟等合作，自主研发了10比特超导量子线路样品，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。

“简单地说，我们做出了10个量子的超导量子计算机CPU芯片，并用它演示了求解线性方程组的量子算法，证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性。”朱晓波告诉记者，相关量子算法的成果已经过审，即将发表于《物理评论快报》。目前研究团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，并计划于今年年底前发布量子云计算平台。

量子计算：计算机中的“战斗机”

如果把现在传统的电子计算机比作自行车，那么，量子计算机就好比飞机。例如，使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组，所需时间为100年，而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组，仅需0.01秒。因为计算能力的革命性突破，如同蒸汽机之于工业文明，量子计算机将成为未来科技的引擎。

量子计算机为何可以成为计算机界的“战斗机”？这与它的计算原理密切相关。

现有的电子计算机，1个物理比特只能存储1个逻辑态——或者0，或者1。而量子计算机利用的是量子的相干叠加原理，可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，1个量子比特可以同时存储0和1。

这意味着什么呢？意味着量子计算机的处理能力将随着比特数的增加而呈指数级上升。量子计算机有N个比特，就可以一次对2的N次方个数进行数学运算，相当于经典计算机算上2的N次方次。

量子计算计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，这可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。

“分解300位大数，利用万亿次经典计算机需要15万年，利用万亿次量子计算机只需要1秒。”潘建伟预测，2020年左右超导量子计算机就可以操纵50个量子比特，届时就可以实现“量子称霸”，在处理一些特定问题的能力上超越经典计算机中计算能力最强的超级计算机。10年内量子计算机将可能实现对100个粒子的相干操纵，届时它处理特定问题的能力就可以达到现有最强超级计算机的百亿亿倍，或者目前全世界计算能力总和的百万倍。

正是由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展协同攻关，同时，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。

中国科学家也加入了这场角逐，并取得了相当亮眼的成果，并对下一步发展进行了部署。

据悉，研究团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，于今年年底前发布量子云计算平台；计划5年之后实现50个量子比特的相干操纵，计算潜力将超越超级计算机“太湖之光”；用15年左右时间，构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网，即量子互联网。届时，量子计算将在公共安全、交通运输、气象监测等各个领域极大改变我们的生活。

潘建伟介绍，我国将要启动的人工智能2.0计划中，就有量子人工智能的专门部分，其技术基础就是量子计算机。而在这之前，“我们首先要通过三五年努力，实现量子称霸，让量子计算机在某些特定问题上超越经典超级计算机”。

领跑量子科研应用，前景无限

“他们使得中国科学技术大学，因而也是整个中国，牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。”英国《新科学家》杂志评价潘建伟团队时说。中国量子科研和应用异军突起，已经成为世界量子科研领域的领先国家之一。

专家认为，计算能力极限的大幅提升，意味着量子计算机可以分析更多数据。比如，实现精准的天气预报，躲避飓风海啸；计算优化的出行线路，让城市减少堵车；识别有效的分子组合，降低药物的研发成本和周期；甚至可以用于探索太空，较快辨别可能存有生命体的行星。

潘建伟预测，造出“专用”量子计算机，在求解材料设计、化学研究、物理研究等特别需要、特别有用的问题上超越“超级计算机”，有望在10年出现，最终还将拓展到量子人工智能领域。

除了量子计算方面的“弯道超车”，在量子通信领域，中国已达到世界顶尖水平，领先欧美国家。

我国量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化，正朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。世界第一条量子通信保密干线——全长2000余公里的“京沪干线”已于去年全线贯通，目前正在进行最后测试，可为沿线城市间的政府、金融机构等提供高速、高安全等级的信息传输保障。

去年8月发射的中科院量子科学实验卫星“墨子号”，将实现高速星地量子秘钥分发、星地量子纠缠分发和千公里级的空地量子隐形传输。“目前，已建立起星地信道，为后期实验打下基础，以便最后形成天地一体的量子通信网络。”潘建伟说。

随着“墨子号”发射升空，中国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。按照规划，未来还将发射多颗量子卫星。到2030年左右，建成一个全球化的广域量子通信网络。

潘建伟说，量子通信可以从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的安全性，从根本上解决信息安全问题。目前，量子保密通信已逐步进入产业化阶段，成为未来保障信息安全的“护卫舰”。

记者了解到，对于量子时代的科学应用，中国“量子人”团队有着明确的科研路线图：通过量子通信研究，从初步实现局域量子通信网络，到实现多横多纵的全球范围量子通信网络；通过量子计算研究，为大规模计算难题提供解决方案，实现大数据时代信息的有效挖掘；通过量子精密测量研究，实现新一代定位导航等。

到2030年，或许人人家里都有一个“密钥机”；新的量子材料可以改变电池技术，成百倍地扩大电池容量……面对变幻莫测的量子世界，从“被动观测”迈入“主动调控”，人们期待着量子科技开启更美好的未来。