如何客觀評價中國兩台量子計算原型機？

5月3日，中國兩台量子計算原型機問世，這兩台原型機由中科大、中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學、中科院物理所等單位或公司聯合研製。雖然有媒體對該技術成果冠以「解讀中國量子計算機，比神威·太湖之光還厲害？」這類的標題進行報道。但就以技術成果的目標而言，距離製造真正通用的標準量子計算機還有很長的路要走，本次發布的兩台原型機，僅僅是中國量子計算研發中邁出的一小步。

潘建偉教授在5月3日新聞發布會

兩台量子計算機性能究竟怎麼樣

首先來看光量子計算原型機。據中科院院士潘建偉介紹，研究團隊在2016年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，構建出光量子計算原型機，該原型機的「玻色取樣」速度比業界快了2.4萬倍。通過和經典演算法比較發現，這台光量子計算原型機比人類首台電子管計算機(ENIAC)和首台晶體管計算機(TRADIC)運行速度提高10至100倍。

從潘建偉院士的表述中可以發現，這台光量子計算原型機是基於線性光學，把量子點當做單光子源來使用，而且可以實現十光子糾纏操縱。這個成績已經超過了美國保持的9個量子比特操縱記錄。

從公布的結構圖上看，圖片右下角的是量子點單光子源，被包裹在在一個液氦溫度的容器里，也就是圖片右側的那個立方體和圓柱體結合成的「大罐子」。最右側的那個小柱子就是放大的一個量子點系統的樣子，是在一個半導體柱子狀的微腔中間生長一個銦稼砷量子點。發射出來的單光子被收集後，通過單光子開關輸入到計算光路中，然後計算結果通過探測器的計數，再通過信號處理後就可以得到了。

玻色取樣解釋起來比較複雜，這個過程可以理解為一個泊松抽樣的量子模擬，研製量子計算機的科學家之所以對這個問題有興趣，因為這是一個#P-Hard問題，比NP-Hard問題要困難得多，而NP-Hard問題又是NP問題裡面最難的一種，NP問題是指還未被證明是否存在多項式演算法能夠解決的問題，可見玻色取樣對經典計算機有多棘手。

單光子操作

從用途上看，這台光量子計算原型機肯定是專用機，而非通用機——只能用來做玻色取樣。而且這台光量子計算原型機在「玻色取樣」方面運行速度比國際同行快了2.4萬倍，與人類首台電子管計算機(ENIAC)和首台晶體管計算機(TRADIC)相比，運行速度提高10至100倍。

在肯定這台光量子計算原型機在「玻色取樣」方面運行速度比國際同行快了2.4萬倍的同時，也需要清醒認識到，這台光量子計算原型機對標的是人類首台電子管計算機(ENIAC)和首台晶體管計算機(TRADIC)，比這兩台機器運行速度提高10至100倍。其性能還是比較有限的，一些媒體拿神威·太湖之光來做參照，這種做法其實不太妥當。

十超導量子比特的糾纏態

基於超導量子處理器的線性方程解法演示

再來看另外一台低溫超導系統的原型機。這台量子計算原型機也實現了10個量子比特，而且和光量子計算原型機一樣，也是專用機——只能用來做線性方程組求解。雖然沒有這台低溫超導系統的原型機的其他介紹，但應該也是類似於ENIAC和TRADIC的存在——性能和通用性一般，但卻是國內在該領域邁出的一小步，因而頗具意義。

客觀評價中國的量子計算原型機

之前提到了，這兩台量子計算原型機只是分別用於線性方程組求解和玻色取樣的專用機，而且性能相對於現在非常成熟的經典計算機而言也比較一般。但也不必妄自菲薄，畢竟量子計算機相對於經典計算機優勢巨大。

量子計算就是利用了量子疊加和量子糾纏的特點實現了高超的並行計算能力。擁有N個量子態的量子計算機一次操作等於是一次演化相當於完成了2的N次方個數據的並行處理，這就使量子計算機相對於經典計算機處於優勢。特別是在超並行計算能力方面，量子計算機的優勢格外突出。

世界首台超越早期經典計算機的單光子量子計算機

正如初生的嬰兒雖然比較弱小，但由於量子計算機有相對於經典計算機更大的發展潛力，因而不能用現在兩台原型機在通用性和性能方面存在的瑕疵而一棍子打死。

另外，我們也不能妄自尊大。不能因兩台量子計算原型機的成功而忽視國外的技術進步。

比如在2012年，R. J. Schoelkopf在超導線路中實現三比特的量子糾錯編碼。在2015年John M. Martinis在超導線路中實現了九比特的量子操控。本次中國自主研發的10量子比特低溫超導量子計算原型機，正是打破了John M. Martinis在2015年的成績。從宏觀上看，中美兩國在量子計算機研發中有可能會表現出交替領先的情況。

除了低溫超導系統以外，目前還有量子點系統、離子阱、拓撲量子計算等研究方向。不過，由於低溫超導系統和量子點系統具有較好的擴展性，更適合工業化生產，因而把這兩個方向作為主攻方向的研究者更多一些。把低溫超導系統和量子點系統對比，低溫超導系統的研究者又比量子點系統的研究者更多一些。

中國科學技術大學教授朱曉波正在展示超導量子比特處理器的晶元

量子點系統的一大方向就是半導體量子點，比如Intel就非常熱衷於研究硅基半導體量子晶元，其中原因就在於Intel想藉助自己在硅基晶元領域一些成熟的技術。國外新南威爾士大學也有實現2個量子比特的硅基半導體量子晶元的新聞。

在半導體量子點方面，中國在2010年左右製備單個量子點，在2011年實現雙量子點，在2012—2013年實現兩個量子點編碼的單量子比特，在2014—2015實現四量子點編碼的兩個量子比特，在2016年已經做到六個量子點編碼為三個量子比特，並實現了三個比特量子門操作。在中國接連取得進步的同時，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。

不過，要實現量子計算，不僅要有足夠多的物理比特，再通過做冗餘處理形成邏輯比特，還要有足夠高的邏輯門精度，單比特邏輯門和雙比特邏輯門精度要能滿足量子計算的門檻。當邏輯比特數量超過30，而且有足夠高的邏輯門精度，才能製造出可以媲美或者超越經典計算機計算性能的量子計算機。

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