“中國(guó)造”量子計(jì)算原型機(jī) 靠譜嗎？

5月3日，世界第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)問(wèn)世，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、朱曉波，浙江大學(xué)王浩華教授研究組聯(lián)合研制。

其實(shí)這并不是中國(guó)第一次公開在量子計(jì)算方面取得的成績(jī)，在2016年，央視新聞報(bào)道：中國(guó)量子計(jì)算機(jī)取得突破性進(jìn)展，中國(guó)科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)。在上個(gè)月，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士透露，中科院正在研制中國(guó)首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)在最近幾年內(nèi)有望研制成功。

那么量子計(jì)算到底什么?相對(duì)于現(xiàn)在使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，又有什么優(yōu)勢(shì)呢?本次發(fā)布的量子模擬機(jī)性能究竟怎么樣呢?

經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展遭遇瓶頸

在過(guò)去幾十年中，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，芯片的集成度和制造工藝突飛猛進(jìn)。但隨著制造工藝的進(jìn)步，晶體管柵長(zhǎng)不斷變小的同時(shí)，也帶來(lái)了副作用——那就是會(huì)使電子移動(dòng)的距離縮短，容易導(dǎo)致晶體管內(nèi)部電子自發(fā)通過(guò)晶體管通道的硅底板進(jìn)行的從負(fù)極流向正極的運(yùn)動(dòng)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)外巨頭開發(fā)出SOI技術(shù)和鰭式場(chǎng)效電晶體技術(shù)，通過(guò)在源極和漏極埋下一層強(qiáng)電介質(zhì)膜，或者增加絕緣層的表面積來(lái)增加電容值，防止發(fā)生電子躍遷，這使得摩爾定律得以延續(xù)。

但隨著制造工藝發(fā)展到7nm，如果要進(jìn)一步縮短晶體硅的柵長(zhǎng)，又會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)，粒子迅速穿越勢(shì)壘——在勢(shì)壘一邊平動(dòng)的粒子，當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過(guò)勢(shì)壘的;而對(duì)于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘。

打個(gè)比方，就是只如果你面前有一道10米高墻，按照經(jīng)典力學(xué)，如果找不到合適的工具，你就翻不過(guò)去。但對(duì)于微觀粒子來(lái)說(shuō)，由微觀粒子波動(dòng)性，可以直接穿墻而過(guò)。正是由于隧穿效應(yīng)使得摩爾定律在當(dāng)下已然失效，經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展陷入瓶頸。經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問(wèn)題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能增長(zhǎng)越來(lái)越困難。最典型的例子莫過(guò)于CPU巨頭Intel，在2013年之后，Intel的CPU性能增長(zhǎng)比較有限，因而被網(wǎng)友調(diào)侃是“牙膏廠”。在不久前更是取消了有20年歷史的英特爾開發(fā)者論壇。這其中的原因之一就是撞上了性能天花板。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展遭遇瓶頸的情況下，探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)就成為必由之路。

量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)

量子計(jì)算機(jī)具有極大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超并行計(jì)算能力。例如，如果是求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計(jì)用十幾萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)完成，而量子計(jì)算機(jī)原則上可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。因此，量子計(jì)算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。

中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士曾表示：使用億億次的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的方程組，所需時(shí)間為100年。而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

本次發(fā)布的兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)性能到底咋樣

以目前的情況看，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)和量子點(diǎn)系統(tǒng)由于具有較好的可拓展性，公開的研究成果也比較多。

就量子點(diǎn)系統(tǒng)而言，中國(guó)暫時(shí)領(lǐng)先西方國(guó)家。在2016年，中國(guó)科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片由砷化鎵材料制造，用量子點(diǎn)(用半導(dǎo)體工藝做出一個(gè)模擬原子能級(jí)的結(jié)構(gòu))實(shí)現(xiàn)量子比特，邏輯比特?cái)?shù)量為3個(gè)。半導(dǎo)體量子芯片精度達(dá)到90%，在量子糾錯(cuò)碼的輔助下，該量子芯片的精度也達(dá)到了滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度。相比之下，國(guó)外目前還停留在四個(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)比特，在該領(lǐng)域中國(guó)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

本次發(fā)布會(huì)上公開的是兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學(xué)，兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)都有10個(gè)量子比特。超過(guò)了美國(guó)航天航空局、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、谷歌宣布實(shí)現(xiàn)的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操作。

那么，這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)性能究竟怎么樣呢?

這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)雖然符合標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算概念，但都是專用機(jī)，而非通用機(jī)——超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺(tái)原型機(jī)是用來(lái)做線性方程組求解的;基于線性光學(xué)的原型機(jī)是用來(lái)做玻色取樣的。

在性能上，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的取樣速度不僅比國(guó)際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少24000倍。同時(shí)，通過(guò)和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)(ENIAC)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)(TRADIC)運(yùn)行速度快10-100倍。

換言之，就是這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)只是在線性方程組求解和玻色取樣任務(wù)時(shí)，與人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)(ENIAC)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)(TRADIC)相比較，運(yùn)行速度快10-100倍。

因此，這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)是專用機(jī)，而且對(duì)比的對(duì)象也是人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)(ENIAC)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)(TRADIC)。從中可以看出，這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)只是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中的一小步。雖然在未來(lái)也許會(huì)有與ENIAC、TRADIC類似的歷史地位，但無(wú)論從性能，還是從通用性的角度上說(shuō)，都不宜過(guò)度拔高這兩臺(tái)有10個(gè)量子比特原型機(jī)的先進(jìn)性。

同時(shí)，也不能因此就貶低這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)。畢竟不積跬步，無(wú)以至千里，不積小流，無(wú)以成江海。只要不斷取得技術(shù)突破，夯實(shí)技術(shù)儲(chǔ)備，就有可能制造出具有超越“神威太湖之光”計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)。

需要說(shuō)明的是，相對(duì)于兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了10個(gè)量子比特的成績(jī)，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的量子操作水平格外出色——這種量子計(jì)算專用機(jī)運(yùn)行一次，就相當(dāng)于做一次超高難度的物理實(shí)驗(yàn)。能夠制造并使用這種量子計(jì)算專用機(jī)需要非常高的操作水平。

因而中國(guó)發(fā)表兩臺(tái)有10個(gè)量子比特原型機(jī)，折射出在量子操作水平上，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)處于暫時(shí)領(lǐng)先地位。而且潘建偉研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在2017年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操作。

一、量子計(jì)算靠的是“疊加”和“糾纏”

量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式，它通過(guò)大量量子位的受控演化來(lái)完成計(jì)算任務(wù)。

量子計(jì)算機(jī)原理

所謂的量子位是一個(gè)具有兩個(gè)量子態(tài)的物理系統(tǒng)，一般在量子信息學(xué)中，量子是最小的不可分割的能量單位，基本單位就是量子位，或者叫做量子比特。而量子態(tài)呢，就是電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量。

量子疊加

1個(gè)量子位同時(shí)有0和1兩個(gè)狀態(tài)，相應(yīng)的N個(gè)量子位可同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)。所以，量子計(jì)算機(jī)操作一次的效果就等于同于普通電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行2的N次方次操作的效果，再直白點(diǎn)，就是量子計(jì)算能一次完成2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這樣計(jì)算速度完全秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

量子糾纏

還有一個(gè)名詞你要了解——量子糾纏，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子有一個(gè)奇妙特性，一旦對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量確定了它的狀態(tài)，那么就立即知道另一個(gè)粒子所處的狀態(tài)。即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)，愛因斯坦把這稱之為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”。

因此，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時(shí)，糾纏態(tài)的粒子狀態(tài)都可以發(fā)生變化。量子計(jì)算就是利用了量子疊加和量子糾纏的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了高超的并行計(jì)算能力。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)

高性能計(jì)算領(lǐng)域的“小公舉”

舉個(gè)例子，“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)要是求解一個(gè)億億億變量的方程組，要耗上100年。而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

如果是求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計(jì)用十幾萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)完成，而量子計(jì)算機(jī)原則上可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。因此，量子計(jì)算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。

計(jì)算能力超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)

想要判斷量子計(jì)算到底牛不牛、牛在哪，學(xué)術(shù)界有三個(gè)達(dá)成共識(shí)的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：計(jì)算能力超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)是第一步，再是超越商用CPU，最后是超越超級(jí)計(jì)算機(jī)。

上述我們提到的這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍。

本次發(fā)布會(huì)上公開的兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學(xué)。超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺(tái)原型機(jī)是用來(lái)做線性方程組求解的，這臺(tái)原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目——10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

基于超導(dǎo)量子處理器的線性方程解法演示

基于線性光學(xué)的原型機(jī)是用來(lái)做“玻色取樣”的。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的取樣速度比國(guó)際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快了至少24000倍。

如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是自行車，量子計(jì)算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。

10個(gè)量子比特的糾纏是個(gè)什么概念?

兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)都有10個(gè)量子比特的糾纏，這是一個(gè)什么概念?前面我們提到，量子計(jì)算需要利用大量互相糾纏的量子比特才能實(shí)現(xiàn)。而多粒子糾纏的操縱也一直是量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)。

2015年，谷歌、美國(guó)航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。顯然，這個(gè)記錄已經(jīng)被中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次打破。

十超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)

這種量子計(jì)算專用機(jī)運(yùn)行一次，就相當(dāng)于做一次超高難度的物理實(shí)驗(yàn)，能夠制造并使用這種量子計(jì)算專用機(jī)需要非常高的操作水平。中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在2017年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操作。

三、量子計(jì)算機(jī)的“心臟”研制到底有多難?

正如在電子計(jì)算機(jī)中CPU扮演了關(guān)鍵的角色，在量子計(jì)算機(jī)研制中，量子芯片同樣是“心臟”，至關(guān)重要。

量子計(jì)算機(jī)處理器

如果將來(lái)的量子計(jì)算機(jī)要超越現(xiàn)有電子計(jì)算水平，需要多于1000個(gè)量子比特構(gòu)成的芯片。但這種規(guī)模的量子比特構(gòu)成的芯片目前的技術(shù)還做不到。

而且單純有數(shù)量足夠多的量子比特還是不行的，因?yàn)榱孔颖忍夭⒉环€(wěn)定。量子技術(shù)需要利用量子相干性才可以做計(jì)算，彼此有關(guān)的量子比特串列，會(huì)作為一個(gè)整體動(dòng)作，只要對(duì)一個(gè)量子比特進(jìn)行處理，影響就會(huì)立即傳送到串列中多余的量子比特。但是，每個(gè)量子比特都非常脆弱，很容易被環(huán)境干擾，使量子的相干性喪失，而且干擾的速度隨著體系的擴(kuò)大而呈指數(shù)增加，量子比特越多，干擾的速度也越快。

中國(guó)科學(xué)院量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室 資料圖

這時(shí)候就必須采用糾錯(cuò)碼技術(shù)，鑒定噪聲的可能狀態(tài)，在假定了噪聲特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建糾錯(cuò)碼系統(tǒng)，構(gòu)建糾錯(cuò)容錯(cuò)的理論體系。比如通過(guò)糾錯(cuò)碼過(guò)程對(duì)數(shù)個(gè)物理比特做冗余，最后生成了一個(gè)邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯(cuò)特性，可以糾正干擾引起的所有錯(cuò)誤。

如果能夠達(dá)到容錯(cuò)預(yù)值，在外界噪聲低到一定水平，操作達(dá)到一定精度之時(shí)，就可以滿足容錯(cuò)計(jì)算。那這個(gè)精度要多高呢?以杜江峰院士研究組的研究成功為例，在傳統(tǒng)的糾錯(cuò)碼下量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求。

總而言之，要想研制超越現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，首先要有滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求的邏輯比特，然后進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)、上百個(gè)邏輯比特，而且都達(dá)到滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度，這樣就可以得道性能出色的量子芯片，然后在結(jié)合控制系統(tǒng)、測(cè)量裝置等硬件和編程、算法等軟件制造出量子計(jì)算機(jī)。

四、其意義不亞于核武器

那么，量子計(jì)算機(jī)主要有哪些應(yīng)用前景，又和我們的生活有什么相關(guān)呢?

包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的量子技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無(wú)與倫比的廣闊前景，量子隱形通信系統(tǒng)將建立在各類作戰(zhàn)指揮控制體系之間和各種偵察預(yù)警系統(tǒng)、主要作戰(zhàn)平臺(tái)以及空間武器系統(tǒng)之中，從而構(gòu)建出量子信息化戰(zhàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來(lái)的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演無(wú)可替代的角色。甚至有人認(rèn)為，量子計(jì)算的意義不亞于核武器……

在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、藥物設(shè)計(jì)、基因分析、各種導(dǎo)航等方面它也將起到巨大的作用，會(huì)給我們的生活帶來(lái)極大的改變。比如天氣預(yù)測(cè)，量子計(jì)算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會(huì)在何時(shí)何地出現(xiàn)，就像這兩天北京的沙塵暴，可以做到提前預(yù)防。“我們現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)只能預(yù)報(bào)幾天，因?yàn)槿绻A(yù)報(bào)第六天、第七天，計(jì)算的時(shí)間可能需要100天，而100天后再來(lái)預(yù)測(cè)第六七天的天氣就沒(méi)什么意義了”，潘建偉說(shuō)。

結(jié)語(yǔ)

“量子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，一旦成功研發(fā)，就可以破解現(xiàn)在所有的密碼，另外它還可以解決大數(shù)據(jù)等等問(wèn)題。” 中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦曾說(shuō)。

雖然，目前的技術(shù)成果距離真正建成性能優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)依舊有一定難度。但在量子計(jì)算方面，中國(guó)的多項(xiàng)成果都已打破世界記錄，我們也期待超過(guò)經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)能夠早日問(wèn)世。