谷歌說他研製出了量子計算機 中科大就笑了
日前，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，量子晶元相當於未來量子計算機的大腦，研製成功後可實現量子計算機的邏輯運算和信息處理，量子儲存則有助於實現超遠距離量子態量子信息傳輸。那麼量子計算機相對於傳統計算機有什麼優勢？本次成功研究的量子晶元距離真正實用的量子計算機還有多遠呢？
圖1 量子晶元研發成功
量子計算的基本原理
近年來，傳統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。因此，探索全新物理原理的高性能計算技術的需求就應運而生。
量子計算是一種基於量子效應的新型計算方式。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。所謂量子位就是一個具有兩個量子態的物理系統，如光子的兩個偏振態、電子的兩個自旋態、離子（原子）的兩個能級等都可構成量子位的兩個狀態——晶體管只有開/關狀態，也就是要麼是0狀態，要麼是1狀態；而基於量子疊加性原理，一個量子位可以同時處於0狀態和1狀態，當量子系統的狀態變化時，疊加的各個狀態都可以發生變化。
舉例來說，因為1個量子位同時表示0和1兩個狀態，7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態。N個量子位可同時存儲2的N次方個數據，數據量隨N呈指數增長。同時，量子計算機操作一次等效於電子計算機要進行2的N次方次操作的效果……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，這就是量子計算機相對於經典計算機的優勢。
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，求一個300位數的質因數，目前最好的經典計算機可能需要上千年的時間來完成，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。
距離量子計算機還有多遠
要構建量子計算式有兩個要求，一個是量子邏輯門精度足夠高，另一個是邏輯比特數量足夠多。
量子比特可以分為物理比特和邏輯比特。物理比特並不穩定，可能現在有10個物理比特，但很快就喪失了。因此，不得不通過糾錯碼過程對10個物理比特做冗餘，最後生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性。
量子計算要產生相對於傳統計算足夠多的優勢，有效的邏輯比特的數目必須要大於30的情況下才行，要做出真正的量子計算機則需要幾百上千物理比特。而量子技術需要利用量子相干性才可以做計算，但每個量子比特都非常脆弱，很容易被環境退相干，使量子的相干性喪失，退相干的速度隨著體系的擴大呈指數增加，量子比特越多，退相干速度越快。
為應對量子比特退相干的情況，就必須採用糾錯碼技術，鑒定雜訊的可能狀態，在假定了雜訊特性的基礎上，構建糾錯碼系統，構建糾錯容錯的理論體系。
其實，傳統計算機也會發生計算錯誤，但可以通過糾錯碼計算。而量子計算機也是這樣，如果能夠達到容錯預值（容錯預值不僅僅是對操作精度，對雜訊的總體水平有一個約束的關係）——外界雜訊低到一定水平，操作達到一定精度之時，就可以滿足容錯計算。在精度上，由英國工程和物理科學研究理事會（EPSRC）資助的網路量子信息技術中心（NQIT）的科學家已經將量子邏輯門（quantum logic gate）的精度提升至99%；而國內由杜江峰院士帶隊的研究組在傳統的糾錯碼下達到了更高的操作精度，量子邏輯門精度達到了99.99%，其單比特門精度已經滿足容錯計算的需求；本次中國科技大學量子實驗室研發的半導體量子晶元也達到了滿足容錯計算的精度。
之前說過，在精度滿足容錯計算需求的情況下，有效的邏輯比特的數目超過30個就能在計算性能上取得對傳統計算機的相對優勢，那麼有中國科技大學研發出的量子晶元的邏輯比特數達到多少呢？據筆者了解，該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。也就是說，只要進行系統擴展，把更多的邏輯比特能達到滿足容錯計算的精度，將邏輯比特數量擴大10倍，即可製造出在性能上超越傳統計算機的量子計算機。不過，系統擴展難度非常大，建成量子計算機依舊任重道遠。
圖2 半導體量子晶元由郭光燦院士團隊研發
中科大的量子晶元和谷歌的量子晶元有何差異
去年年底，谷歌聲稱成功研製出量子晶元，而且採用該晶元的量子計算機D-Wave解決問題時能夠比其他任何計算機都快出一億倍。那麼，與谷歌的量子晶元相比，中科大量子實驗室的量子晶元孰優孰劣呢？
圖3 谷歌的量子計算機D-Wave
其實，谷歌的量子晶元和中科大量子實驗室的量子晶元完全不是一回事。
谷歌的D-Wave並非真正的量子計算機，而是量子退火機，演算法和一般意義理解的加減乘除的演算法是有區別的，一般的演算法，比如求開方或求互質是有標準的程序。而蒙特卡羅演算法的一個關鍵步驟就是要形成一些隨機數，由隨機數去模擬。谷歌的D-Wave模擬了一個量子模型，經過數值分析模擬出量子的勢場結構；其量子處理器由低溫超導體材料製成，利用了量子微觀客體之間的相互作用。因此，其體系是量子力學的。
而量子力學在微觀層面上和宏觀層面上是有區別的，它可以穿透一些勢壘結構，比如有一道高3米，厚0.1米的牆，要翻過去必須有矯健的身手。通過量子力學，會有一定概率的普通人可以直接穿牆。但在經典層面上，用傳統計算機來模擬的話，就必須老老實實的去爬牆，而這就是谷歌宣稱快1億倍的原因所在。
換言之，谷歌的量子計算機只是針對特定環節，做特殊演算法的計算機。谷歌的退火演算法可以在特定的環節、特定的應用中超過傳統計算機，但並不具有普適性。標準量子計算機是具有普適性的計算機，可以運行各種各樣的演算法，類似於經典計算機，電路等效於圖靈機模型，可以把圖靈機的各種功能用電路來實現。計算機的電路由基本的門來構成，而標準的量子計算機也是有這樣的一個概念，是由一系列基本的邏輯門來實現量子電路，進而實現各種演算法功能。這種量子計算機被稱為具有普適性的量子計算機，而谷歌的量子計算機就沒有量子計算機對應的門的概念。谷歌的量子晶元採用低溫超導技術，超導系統具有可集成性，能夠集成更多的量子比特，但操作精度遠遠達不到量子計算的要求，這也是谷歌之所以研究量子退火，而非標準量子計算機的原因。藉助超導體系已有的相對成熟的超導電子學，谷歌可以比較容易集成數量較多的量子位，但選擇了這條路也意味著谷歌不存在用量子退火機「升級」，製造出量子計算機的可能性。也就是說，中科大量子實驗室的量子晶元是基於量子點系統，雖然集成的量子比特會少一些，但擁有更好的量子邏輯門精度，就構建標準量子計算機而言，中科大量子實驗室顯然選擇了正確的道路。
出品：科普中國
製作：鐵流
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