5月3日，世界第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機問世，這臺量子計算機由中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽、朱曉波，浙江大學王浩華教授研究組聯(lián)合研制。

其實這并不是中國第一次公開在量子計算方面取得的成績，在2016年，央視新聞報道：中國量子計算機取得突破性進展，中國科技大學量子實驗室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲。在上個月，中國科學院院長白春禮院士透露，中科院正在研制中國首臺量子計算機，預(yù)計在最近幾年內(nèi)有望研制成功。

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

經(jīng)典計算機發(fā)展遭遇瓶頸

在過去幾十年中，由于計算機技術(shù)飛速發(fā)展，芯片的集成度和制造工藝突飛猛進。但隨著制造工藝的進步，晶體管柵長不斷變小的同時，也帶來了副作用——那就是會使電子移動的距離縮短，容易導(dǎo)致晶體管內(nèi)部電子自發(fā)通過晶體管通道的硅底板進行的從負極流向正極的運動，為了解決這個問題，國外巨頭開發(fā)出SOI技術(shù)和鰭式場效電晶體技術(shù)，通過在源極和漏極埋下一層強電介質(zhì)膜，或者增加絕緣層的表面積來增加電容值，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，如果要進一步縮短晶體硅的柵長，又會發(fā)生隧穿效應(yīng)，粒子迅速穿越勢壘——在勢壘一邊平動的粒子，當動能小于勢壘高度時，按照經(jīng)典力學，粒子是不可能越過勢壘的;而對于微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘。

打個比方，就是只如果你面前有一道10米高墻，按照經(jīng)典力學，如果找不到合適的工具，你就翻不過去。但對于微觀粒子來說，由微觀粒子波動性，可以直接穿墻而過。正是由于隧穿效應(yīng)使得摩爾定律在當下已然失效，經(jīng)典計算機發(fā)展陷入瓶頸。經(jīng)典計算機發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問題，傳統(tǒng)計算機的性能增長越來越困難。最典型的例子莫過于CPU巨頭Intel，在2013年之后，Intel的CPU性能增長比較有限，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)典計算機發(fā)展遭遇瓶頸的情況下，探索全新物理原理的高性能計算技術(shù)就成為必由之路。

量子計算的優(yōu)勢

量子計算機具有極大超越經(jīng)典計算機的超并行計算能力。例如，如果是求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計用十幾萬年的時間來完成，而量子計算機原則上可以在很短的時間內(nèi)完成。因此，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，是新概念高性能計算領(lǐng)域公認的發(fā)展趨勢。

中國科學院院長白春禮院士曾表示：使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

本次發(fā)布的兩臺量子計算原型機性能到底咋樣

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。

就量子點系統(tǒng)而言，中國暫時領(lǐng)先西方國家。在2016年，中國科技大學量子實驗室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片由砷化鎵材料制造，用量子點(用半導(dǎo)體工藝做出一個模擬原子能級的結(jié)構(gòu))實現(xiàn)量子比特，邏輯比特數(shù)量為3個。半導(dǎo)體量子芯片精度達到90%，在量子糾錯碼的輔助下，該量子芯片的精度也達到了滿足容錯計算的精度。相比之下，國外目前還停留在四個量子點編碼的兩個比特，在該領(lǐng)域中國已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平。

本次發(fā)布會上公開的是兩個量子計算原型機，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學，兩個量子計算原型機都有10個量子比特。超過了美國航天航空局、加州大學圣芭芭拉分校、谷歌宣布實現(xiàn)的9個超導(dǎo)量子比特的高精度操作。

那么，這兩臺量子計算原型機性能究竟怎么樣呢?

這兩臺量子計算原型機雖然符合標準的量子計算概念，但都是專用機，而非通用機——超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺原型機是用來做線性方程組求解的;基于線性光學的原型機是用來做玻色取樣的。

在性能上，實驗測試表明，該原型機的取樣速度不僅比國際同行類似的實驗加快至少24000倍。同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(TRADIC)運行速度快10-100倍。

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

因此，這兩臺量子計算原型機是專用機，而且對比的對象也是人類歷史上第一臺電子管計算機(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(TRADIC)。從中可以看出，這兩臺量子計算原型機只是量子計算機發(fā)展歷程中的一小步。雖然在未來也許會有與ENIAC、TRADIC類似的歷史地位，但無論從性能，還是從通用性的角度上說，都不宜過度拔高這兩臺有10個量子比特原型機的先進性。

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

需要說明的是，相對于兩個量子計算原型機實現(xiàn)了10個量子比特的成績，中國科研團隊的量子操作水平格外出色——這種量子計算專用機運行一次，就相當于做一次超高難度的物理實驗。能夠制造并使用這種量子計算專用機需要非常高的操作水平。

因而中國發(fā)表兩臺有10個量子比特原型機，折射出在量子操作水平上，中國科研團隊已經(jīng)處于暫時領(lǐng)先地位。而且潘建偉研究團隊還計劃在2017年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操作。

一、量子計算靠的是“疊加”和“糾纏”

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

量子計算機原理

所謂的量子位是一個具有兩個量子態(tài)的物理系統(tǒng)，一般在量子信息學中，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)恒的運動，具有完全確定的能量。

量子疊加

1個量子位同時有0和1兩個狀態(tài)，相應(yīng)的N個量子位可同時存儲2的N次方個數(shù)據(jù)。所以，量子計算機操作一次的效果就等于同于普通電子計算機進行2的N次方次操作的效果，再直白點，就是量子計算能一次完成2的N次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這樣計算速度完全秒殺傳統(tǒng)計算機。

量子糾纏

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

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

超導(dǎo)量子計算機

高性能計算領(lǐng)域的“小公舉”

舉個例子，“天河二號”超級計算機要是求解一個億億億變量的方程組，要耗上100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

如果是求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計用十幾萬年的時間來完成，而量子計算機原則上可以在很短的時間內(nèi)完成。因此，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，是新概念高性能計算領(lǐng)域公認的發(fā)展趨勢。

計算能力超越早期經(jīng)典計算機

想要判斷量子計算到底牛不牛、牛在哪，學術(shù)界有三個達成共識的指標性節(jié)點：計算能力超越早期經(jīng)典計算機是第一步，再是超越商用CPU，最后是超越超級計算機。

上述我們提到的這臺光量子計算機，已經(jīng)比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍至100倍。

本次發(fā)布會上公開的兩個量子計算原型機，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學。超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺原型機是用來做線性方程組求解的，這臺原型機實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目——10個超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實現(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

基于線性光學的原型機是用來做“玻色取樣”的。實驗測試表明，該原型機的取樣速度比國際同行類似的實驗加快了至少24000倍。

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

10個量子比特的糾纏是個什么概念?

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

2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。顯然，這個記錄已經(jīng)被中國科學家團隊首次打破。

十超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)

這種量子計算專用機運行一次，就相當于做一次超高難度的物理實驗，能夠制造并使用這種量子計算專用機需要非常高的操作水平。中國的研究團隊還計劃在2017年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操作。

三、量子計算機的“心臟”研制到底有多難?

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

量子計算機處理器

如果將來的量子計算機要超越現(xiàn)有電子計算水平，需要多于1000個量子比特構(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，因為量子比特并不穩(wěn)定。量子技術(shù)需要利用量子相干性才可以做計算，彼此有關(guān)的量子比特串列，會作為一個整體動作，只要對一個量子比特進行處理，影響就會立即傳送到串列中多余的量子比特。但是，每個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大而呈指數(shù)增加，量子比特越多，干擾的速度也越快。

中國科學院量子計算實驗室 資料圖

這時候就必須采用糾錯碼技術(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)建糾錯碼系統(tǒng)，構(gòu)建糾錯容錯的理論體系。比如通過糾錯碼過程對數(shù)個物理比特做冗余，最后生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性，可以糾正干擾引起的所有錯誤。

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

總而言之，要想研制超越現(xiàn)有電子計算機的量子計算機，首先要有滿足容錯計算的需求的邏輯比特，然后進行系統(tǒng)擴展，實現(xiàn)數(shù)十個、上百個邏輯比特，而且都達到滿足容錯計算的精度，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)、測量裝置等硬件和編程、算法等軟件制造出量子計算機。

四、其意義不亞于核武器

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

包括量子計算機在內(nèi)的量子技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，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，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。甚至有人認為，量子計算的意義不亞于核武器……

在醫(yī)學檢測、藥物設(shè)計、基因分析、各種導(dǎo)航等方面它也將起到巨大的作用，會給我們的生活帶來極大的改變。比如天氣預(yù)測，量子計算機可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準地顯示惡劣天氣會在何時何地出現(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)報只能預(yù)報幾天，因為如果要預(yù)報第六天、第七天，計算的時間可能需要100天，而100天后再來預(yù)測第六七天的天氣就沒什么意義了”，潘建偉說。

結(jié)語

“量子計算機是一項顛覆性的技術(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)等等問題。” 中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學教授郭光燦曾說。

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)典計算機的標準量子計算機來說依舊有一定難度。但在量子計算方面，中國的多項成果都已打破世界記錄，我們也期待超過經(jīng)典電子計算機的標準量子計算機能夠早日問世。