揭秘：中國量子計算原型機究竟怎麼樣？

5月3日，世界第一台超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機問世，這台量子計算機由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、朱曉波，浙江大學王浩華教授研究組聯合研製。其實這並不是中國第一次公開在量子計算方面取得的成績，早在2015年，《中國科學報》就報道過：中國科學技術大學杜江峰研究組在固態自旋體系中實現了達到容錯閾值的普適量子邏輯門，這一結果代表了目前固態自旋體系量子操控精度的世界最高水平，研究成果發表在11月25日的Nature Communications上。

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了半導體量子晶元和量子存儲。在上個月，中國科學院院長白春禮院士透露，中科院正在研製中國首台量子計算機，預計在最近幾年內有望研製成功。

那麼量子計算到底什麼？相對於現在使用的經典計算機，又有什麼優勢呢？本次發布的量子模擬機性能究竟怎麼樣呢？

經典計算機發展遭遇瓶頸

在過去幾十年中，由於計算機技術飛速發展，晶元的集成度和製造工藝突飛猛進。但隨著製造工藝的進步，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，容易導致晶體管內部電子自發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，國外巨頭開發出SOI技術和鰭式場效電晶體技術，通過在源極和漏極埋下一層強電介質膜，或者增加絕緣層的表面積來增加電容值，防止發生電子躍遷，這使得摩爾定律得以延續。

但隨著製造工藝發展到7nm，如果要進一步縮短晶體硅的柵長，又會發生隧穿效應，粒子迅速穿越勢壘——在勢壘一邊平動的粒子，當動能小於勢壘高度時，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的；而對於微觀粒子，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米高牆，按照經典力學，如果找不到合適的工具，你就翻不過去。但對於微觀粒子來說，由微觀粒子波動性，可以直接穿牆而過。正是由於隧穿效應使得摩爾定律在當下已然失效，經典計算機發展陷入瓶頸。經典計算機發展中已經逐漸遭遇功耗牆、通信牆等一系列問題，傳統計算機的性能增長越來越困難。最典型的例子莫過於CPU巨頭Intel，在2013年之後，Intel的CPU性能增長比較有限，因而被網友調侃是「牙膏廠」。在不久前更是取消了有20年歷史的英特爾開發者論壇。這其中的原因之一就是撞上了性能天花板。

在經典計算機發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就成為必由之路。

量子計算的優勢

量子計算機具有極大超越經典計算機的超並行計算能力。例如，如果是求一個300位數的質因數，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完成。因此，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納製造等領域具有突出優勢，是新概念高性能計算領域公認的發展趨勢。

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數的方程組，所需時間為100年。而使用一台萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

本次發布的兩台量子計算原型機性能到底咋樣

以目前的情況看，低溫超導系統和量子點系統由於具有較好的可拓展性，公開的研究成果也比較多。

就量子點系統而言，中國暫時領先西方國家。在2016年，中國科技大學量子實驗室成功研發了半導體量子晶元由砷化鎵材料製造，用量子點（用半導體工藝做出一個模擬原子能級的結構）實現量子比特，邏輯比特數量為3個。半導體量子晶元精度達到90%，在量子糾錯碼的輔助下，該量子晶元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，在該領域中國已經達到國際領先水平。

本次發布會上公開的是兩個量子計算原型機，一種基於低溫超導系統，一種基於線性光學，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、加州大學聖芭芭拉分校、谷歌宣布實現的9個超導量子比特的高精度操作。

那麼，這兩台量子計算原型機性能究竟怎麼樣呢？

這兩台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——超導系統那一台原型機是用來做線性方程組求解的；基於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，通過和經典演算法比較，也比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍。

換言之，就是這兩台量子計算原型機只是在線性方程組求解和玻色取樣任務時，與人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）相比較，運行速度快10-100倍。

因此，這兩台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台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）。從中可以看出，這兩台量子計算原型機只是量子計算機發展歷程中的一小步。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台有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台量子計算原型機。畢竟不積跬步，無以至千里，不積小流，無以成江海。只要不斷取得技術突破，夯實技術儲備，就有可能製造出具有超越「神威太湖之光」計算能力的量子計算機。

需要說明的是，相對於兩個量子計算原型機實現了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，就相當於做一次超高難度的物理實驗。能夠製造並使用這種量子計算專用機需要非常高的操作水平。

因而中國發表兩台有10個量子比特原型機，折射出在量子操作水平上，中國科研團隊已經處於暫時領先地位。而且潘建偉研究團隊還計劃在2017年年底實現大約20個光量子比特的操作。

結語

正如之前介紹的，目前的技術成果距離真正建成性能優於傳統經典計算機的標準量子計算機來說依舊有一定難度。中國科學院院長白春禮院士透露的中國正在研製的首台量子計算機到底會採用什麼方案，目前還未公開。但種種跡象表明，前進的方向已經找到了。我們也期待性能能夠超過經典電子計算機的標準量子計算機能夠早日問世。

文/鐵流

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