“九章”成績可喜 但距離標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)任重道遠(yuǎn)

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機(jī) “九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的 “高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

據(jù)媒體報道，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機(jī)快一百萬億倍；其速度比去年谷歌發(fā)布的 53 個超導(dǎo)比特量子計算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。相關(guān)論文于 12 月 4 日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

雖然媒體報道中不乏“量子霸權(quán)”、“一百萬億倍”之類的名詞，但就目前的量子計算機(jī)更多是科研性質(zhì)，不具備全面取代經(jīng)典計算機(jī)的能力，只會是經(jīng)典計算的補(bǔ)充，而非替代。建成可以全面取代經(jīng)典計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)任重道遠(yuǎn)。

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量子計算為何被很多人看好

近年來，傳統(tǒng)計算機(jī)發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問題，加上摩爾定律開始失效，芯片性能的增長開始放緩，傳統(tǒng)計算機(jī)的性能增長潛力和增長速度都已大不如前。在這種情形下，探索全新物理原理的高性能計算技術(shù)的需求就應(yīng)運而生。

量子計算的基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務(wù)。一般選用處于糾纏狀態(tài)的量子，比如光子的兩個偏振態(tài)、電子的兩個自旋態(tài)、離子的兩個能級來構(gòu)建量子位。

想必很多人都聽說過薛定諤的貓，而量子位就類似于那只貓的狀態(tài)。一個量子位可以同時處于 0 狀態(tài)和 1 狀態(tài)，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時，疊加的各個狀態(tài)都可以發(fā)生變化。

相對于只能表示 0 和 1 的晶體管，量子位能同時表示 0 和 1 兩個狀態(tài)，這就使量子計算機(jī)在并行計算上具有巨大優(yōu)勢——畢竟 N 個量子位可同時存儲 2 的 N 次方個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨 N 呈指數(shù)增長。同時，量子計算機(jī)操作一次等效于電子計算機(jī)要進(jìn)行 2 的 N 次方次操作的效果，等于是一次演化相當(dāng)于完成了 2 的 N 次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這是現(xiàn)在的電子計算機(jī)所不具備的。理論上說，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢。

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“量子制霸”標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)屬于“永遠(yuǎn)的 50 年”

近年來，關(guān)于量子計算機(jī)的各種新聞不絕于耳，國內(nèi)中科大潘建偉院士團(tuán)隊、郭光燦院士團(tuán)隊，國外谷歌、IBM 公司、Intel 公司先后開發(fā)出了量子計算原型機(jī)。

此前，谷歌、英特爾、IBM 分別推出過 49、50、72 個物理比特的原型機(jī)。此前，谷歌此前發(fā)布的“通用量子計算機(jī)”Bristlecone，在量子比特數(shù)目上達(dá)到全球第一。不過，這里所謂的“通用量子計算機(jī)”的稱呼，其實說具有較大水分的，只是專用機(jī)，做不到通用。

“九章”的“計算”結(jié)果也是蒙特卡洛算法模擬出來的，并非標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)。目前的量子計算機(jī)對特定算法有顛覆性效果，可以解決特定的問題，但不具備普適性，可以作為經(jīng)典計算機(jī)的補(bǔ)充，但無法取代經(jīng)典計算機(jī)。

IBM 的 IBMQ 原型機(jī)則被譽(yù)為“世界首個專為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計的集成通用近似量子計算系統(tǒng)，是目前全球唯一的獨立商用量子計算機(jī)”。一些媒體在報道中，將 IBMQ 與 ENIAC 相比，認(rèn)為將開啟量子計算新時代。

然而，標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)的實現(xiàn)可能性和可控核聚變類似，都是“永遠(yuǎn)的 50 年”，量子計算機(jī)將很快取代經(jīng)典電子計算機(jī)只是不靠譜的幻想。

什么是“永遠(yuǎn)的 50 年”呢？

如果一項計算實現(xiàn)難度很大，以目前的技術(shù)儲備幾乎看不到實現(xiàn)的可能，但萬一實現(xiàn)了足以引發(fā)一場技術(shù)革命，那么，在談實現(xiàn)這項技術(shù)還有多久的時候，往往會用 50 年來表述——過了 10 年，同一個記者再去問同一個專家，得到的回復(fù)還是 50 年。

也就形成了所謂的“永遠(yuǎn)的 50 年”。

如果回答是 20、30 年，但時間到了卻沒做到，由于具體負(fù)責(zé)人都還在崗或在世，因而會帶來一系列負(fù)面因素，但如果是 50 年，保不齊當(dāng)年鼓吹這項技術(shù)的項目帶頭人都不在了，而且漫長的時間，也有利于沖淡人們的記憶。

量子計算機(jī)就是這樣的一項技術(shù)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)的話，前景廣闊，但以現(xiàn)在的技術(shù)儲備而言，根本制造出標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)。同屬“永遠(yuǎn)的 50 年”的還有可控核聚變技術(shù)，如果能夠成功人類能擺脫化石能源枷鎖，也許還能開啟共產(chǎn)主義社會模式。問題就在于，這項技術(shù)屬于“永遠(yuǎn)的 50 年”。

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實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)難度極大

之所以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)難度極大，主要是因為在編碼、系統(tǒng)擴(kuò)展、邏輯門精度、相干消等諸多方面，都有著極大的差距。

編碼是制造通用量子計算機(jī)的最大攔路虎。如果要制造出超過經(jīng)典計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)，就必須至少獲得 50 個邏輯比特。然而，目前人類所知的量子糾錯機(jī)制，必須用上 80-10000 個物理比特，才能產(chǎn)生 1 個邏輯比特。目前全球沒有任何一家商業(yè)公司或科研機(jī)構(gòu)，能夠做出一個邏輯比特。

要說明的是 50 個邏輯比特并不是終點，而僅僅是一個新起點——雖然一些量子計算機(jī)的鼓吹者聲稱 50 個量子比特就能顛覆經(jīng)典計算機(jī)，但實際上，這種說法并不客觀。

瑞士蘇黎世皇家理工學(xué)院的物理化學(xué)家馬科斯 . 雷勒表示：“如果我們擁有超過 200 個邏輯比特位，我們就能在量子化學(xué)上做到傳統(tǒng)計算機(jī)無法做到的事情，如果擁有 5000 個邏輯比特位，量子計算機(jī)將為這一領(lǐng)域帶來顛覆性的改變?！?/p>

更多的邏輯比特就需要擴(kuò)展系統(tǒng)，但系統(tǒng)擴(kuò)展的難度會以幾何倍數(shù)增長，何況現(xiàn)在連一個邏輯比特都無法實現(xiàn)。

邏輯門精度也是一個大問題，要制造出標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)，單比特門精度和雙比特門精度都必須達(dá)到非常高的要求。一些現(xiàn)在所謂的“量子計算機(jī)”的單比特門精度和雙比特門精度其實都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)的要求。

量子計算有賴于量子糾纏，隨著環(huán)境、時間的變化，量子之間會失去這種糾纏效應(yīng)。而維持量子糾纏的穩(wěn)定時間才是真正有用的，而 IBM 此前只能維持 90 毫秒，這么短的時間，基本不具備實用價值。

現(xiàn)在這些所謂的“量子計算機(jī)”，雖然在宣傳上往往冠以“通用”之名，但其實都只能完成特定任務(wù)。

比如國內(nèi)的某臺量子計算原型機(jī)就只能做波色采樣，不具備通用性。國外谷歌、IBM、英特爾的機(jī)器也是類似，都是專用機(jī)，在一些特定應(yīng)用，能夠取得相對于經(jīng)典計算機(jī)的優(yōu)勢，但不具備通用性。

對于量子計算機(jī)，無論是商業(yè)公司也好，還是政府也好，投入一定資金進(jìn)行探索是非常好的。在技術(shù)進(jìn)步的道路上，不斷取得成績也值得稱贊。

但一些商業(yè)公司過分炒作量子計算概念，對一些有限且局部的進(jìn)步大肆渲染浮夸營銷誤導(dǎo)大眾，仿佛量子計算機(jī)就要到革命的前夜，仿佛經(jīng)典計算機(jī)就要成為電子垃圾，未免就有些過了。

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標(biāo)準(zhǔn)量子計算任重道遠(yuǎn)

谷歌、IBM、英特爾與潘院士、郭院士團(tuán)隊的努力都值得稱贊。

然而，問題就在于量子計算機(jī)概念被過度炒作，量子已經(jīng)成為與納米、Alot、5G 等詞匯一樣被媒體和資本熱炒，被捧得太高，已經(jīng)超出其實際技術(shù)水平，并衍生出了很多原本不具備的概念。這種做法并不利于行業(yè)的健康發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

由于研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)的難度非常非常大，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為：

所謂標(biāo)準(zhǔn)的量子計算機(jī)，也是一批人的定義，不見得一定是最后的實現(xiàn)方式，我們要以比較開放的態(tài)度來看這個系統(tǒng)是不是能夠?qū)崿F(xiàn)超越非量子的計算能力。

無獨有偶，IBM 的工程師也提出了“近似量子計算”的概念，也就是在無法解決編碼問題的情況下，開發(fā)出能夠適應(yīng)、容忍噪音的算法，并得到正確的答案。

這就像是在大選中，統(tǒng)計人員無視一些出錯的的電子選票后，仍然得到正確的選舉結(jié)果。

總而言之，量子計算機(jī)必然會先以量子專用機(jī)的形式出現(xiàn)，并在特定領(lǐng)域取得自己的立足之地。這些專用機(jī)只會是經(jīng)典計算機(jī)的補(bǔ)充，而非對經(jīng)典計算機(jī)的革命。

若要制造出具有通用性，且性能超越經(jīng)典計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)，則是一項非常艱巨的任務(wù)。