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日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了 76 個(gè)光子 100 個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī) “九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的 “高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。
據(jù)媒體報(bào)道，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍；其速度比去年谷歌發(fā)布的 53 個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
雖然媒體報(bào)道中不乏“量子霸權(quán)”、“一百萬(wàn)億倍”之類(lèi)的名詞，但就目前的量子計(jì)算機(jī)更多是科研性質(zhì)，不具備全面取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，只會(huì)是經(jīng)典計(jì)算的補(bǔ)充，而非替代。建成可以全面取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)任重道遠(yuǎn)。
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量子計(jì)算為何被很多人看好
近年來(lái)，傳統(tǒng)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，加上摩爾定律開(kāi)始失效，芯片性能的增長(zhǎng)開(kāi)始放緩，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能增長(zhǎng)潛力和增長(zhǎng)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(jì)算技術(shù)的需求就應(yīng)運(yùn)而生。
量子計(jì)算的基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲(chǔ)的基本單元，通過(guò)大量量子位的受控演化來(lái)完成計(jì)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(gè)偏振態(tài)、電子的兩個(gè)自旋態(tài)、離子的兩個(gè)能級(jí)來(lái)構(gòu)建量子位。
想必很多人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)薛定諤的貓，而量子位就類(lèi)似于那只貓的狀態(tài)。一個(gè)量子位可以同時(shí)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(shí)，疊加的各個(gè)狀態(tài)都可以發(fā)生變化。
相對(duì)于只能表示 0 和 1 的晶體管，量子位能同時(shí)表示 0 和 1 兩個(gè)狀態(tài)，這就使量子計(jì)算機(jī)在并行計(jì)算上具有巨大優(yōu)勢(shì)——畢竟 N 個(gè)量子位可同時(shí)存儲(chǔ) 2 的 N 次方個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨 N 呈指數(shù)增長(zhǎng)。同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)操作一次等效于電子計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這是現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)所不具備的。理論上說(shuō)，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)。
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“量子制霸”標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)屬于“永遠(yuǎn)的 50 年”
近年來(lái)，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的各種新聞不絕于耳，國(guó)內(nèi)中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)、郭光燦院士團(tuán)隊(duì)，國(guó)外谷歌、IBM 公司、Intel 公司先后開(kāi)發(fā)出了量子計(jì)算原型機(jī)。
此前，谷歌、英特爾、IBM 分別推出過(guò) 49、50、72 個(gè)物理比特的原型機(jī)。此前，谷歌此前發(fā)布的“通用量子計(jì)算機(jī)”Bristlecone，在量子比特?cái)?shù)目上達(dá)到全球第一。不過(guò)，這里所謂的“通用量子計(jì)算機(jī)”的稱(chēng)呼，其實(shí)說(shuō)具有較大水分的，只是專(zhuān)用機(jī)，做不到通用。
“九章”的“計(jì)算”結(jié)果也是蒙特卡洛算法模擬出來(lái)的，并非標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)。目前的量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定算法有顛覆性效果，可以解決特定的問(wèn)題，但不具備普適性，可以作為經(jīng)典計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充，但無(wú)法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
IBM 的 IBMQ 原型機(jī)則被譽(yù)為“世界首個(gè)專(zhuān)為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計(jì)的集成通用近似量子計(jì)算系統(tǒng)，是目前全球唯一的獨(dú)立商用量子計(jì)算機(jī)”。一些媒體在報(bào)道中，將 IBMQ 與 ENIAC 相比，認(rèn)為將開(kāi)啟量子計(jì)算新時(shí)代。
然而，標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)可能性和可控核聚變類(lèi)似，都是“永遠(yuǎn)的 50 年”，量子計(jì)算機(jī)將很快取代經(jīng)典電子計(jì)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(xiàng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)難度很大，以目前的技術(shù)儲(chǔ)備幾乎看不到實(shí)現(xiàn)的可能，但萬(wàn)一實(shí)現(xiàn)了足以引發(fā)一場(chǎng)技術(shù)革命，那么，在談實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)還有多久的時(shí)候，往往會(huì)用 50 年來(lái)表述——過(guò)了 10 年，同一個(gè)記者再去問(wèn)同一個(gè)專(zhuān)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(shí)間到了卻沒(méi)做到，由于具體負(fù)責(zé)人都還在崗或在世，因而會(huì)帶來(lái)一系列負(fù)面因素，但如果是 50 年，保不齊當(dāng)年鼓吹這項(xiàng)技術(shù)的項(xiàng)目帶頭人都不在了，而且漫長(zhǎng)的時(shí)間，也有利于沖淡人們的記憶。
量子計(jì)算機(jī)就是這樣的一項(xiàng)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(chǔ)備而言，根本制造出標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)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(lèi)能擺脫化石能源枷鎖，也許還能開(kāi)啟共產(chǎn)主義社會(huì)模式。問(wèn)題就在于，這項(xiàng)技術(shù)屬于“永遠(yuǎn)的 50 年”。
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實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)難度極大
之所以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)難度極大，主要是因?yàn)樵诰幋a、系統(tǒng)擴(kuò)展、邏輯門(mén)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(jì)算機(jī)的最大攔路虎。如果要制造出超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，就必須至少獲得 50 個(gè)邏輯比特。然而，目前人類(lèi)所知的量子糾錯(cuò)機(jī)制，必須用上 80-10000 個(gè)物理比特，才能產(chǎn)生 1 個(gè)邏輯比特。目前全球沒(méi)有任何一家商業(yè)公司或科研機(jī)構(gòu)，能夠做出一個(gè)邏輯比特。
要說(shuō)明的是 50 個(gè)邏輯比特并不是終點(diǎn)，而僅僅是一個(gè)新起點(diǎn)——雖然一些量子計(jì)算機(jī)的鼓吹者聲稱(chēng) 50 個(gè)量子比特就能顛覆經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但實(shí)際上，這種說(shuō)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(guò) 200 個(gè)邏輯比特位，我們就能在量子化學(xué)上做到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的事情，如果擁有 5000 個(gè)邏輯比特位，量子計(jì)算機(jī)將為這一領(lǐng)域帶來(lái)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(huì)以幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，何況現(xiàn)在連一個(gè)邏輯比特都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
邏輯門(mén)精度也是一個(gè)大問(wèn)題，要制造出標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，單比特門(mén)精度和雙比特門(mén)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(jì)算機(jī)”的單比特門(mén)精度和雙比特門(mén)精度其實(shí)都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)的要求。
量子計(jì)算有賴(lài)于量子糾纏，隨著環(huán)境、時(shí)間的變化，量子之間會(huì)失去這種糾纏效應(yīng)。而維持量子糾纏的穩(wěn)定時(shí)間才是真正有用的，而 IBM 此前只能維持 90 毫秒，這么短的時(shí)間，基本不具備實(shí)用價(jià)值。
現(xiàn)在這些所謂的“量子計(jì)算機(jī)”，雖然在宣傳上往往冠以“通用”之名，但其實(shí)都只能完成特定任務(wù)。
比如國(guó)內(nèi)的某臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)就只能做波色采樣，不具備通用性。國(guó)外谷歌、IBM、英特爾的機(jī)器也是類(lèi)似，都是專(zhuān)用機(jī)，在一些特定應(yīng)用，能夠取得相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但不具備通用性。
對(duì)于量子計(jì)算機(jī)，無(wú)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(jī)也值得稱(chēng)贊。
但一些商業(yè)公司過(guò)分炒作量子計(jì)算概念，對(duì)一些有限且局部的進(jìn)步大肆渲染浮夸營(yíng)銷(xiāo)誤導(dǎo)大眾，仿佛量子計(jì)算機(jī)就要到革命的前夜，仿佛經(jīng)典計(jì)算機(jī)就要成為電子垃圾，未免就有些過(guò)了。
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標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算任重道遠(yuǎn)
谷歌、IBM、英特爾與潘院士、郭院士團(tuán)隊(duì)的努力都值得稱(chēng)贊。
然而，問(wèn)題就在于量子計(jì)算機(jī)概念被過(guò)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(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)，也是一批人的定義，不見(jiàn)得一定是最后的實(shí)現(xiàn)方式，我們要以比較開(kāi)放的態(tài)度來(lái)看這個(gè)系統(tǒng)是不是能夠?qū)崿F(xiàn)超越非量子的計(jì)算能力。
無(wú)獨(dú)有偶，IBM 的工程師也提出了“近似量子計(jì)算”的概念，也就是在無(wú)法解決編碼問(wèn)題的情況下，開(kāi)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(jì)人員無(wú)視一些出錯(cuò)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(jì)算機(jī)必然會(huì)先以量子專(zhuān)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(zhuān)用機(jī)只會(huì)是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充，而非對(duì)經(jīng)典計(jì)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(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，則是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。
