量子計算機的一場擂台賽：中國研究組走到了谷歌前頭-鐵流

日前，計算機領域上演了一場中美擂台賽。

據俄羅斯衞星網10日消息：“中國學者用一塊金剛石建成世界首台量子計算機……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”。就在同日，谷歌推出的D-Wave量子計算機，宣傳其在解決問題時能夠比其他任何計算機都快出一億倍。但在2014年1月13日，以美國加州大學的Martinis和Lidar教授為首的研究組，包括Google公司的研究人員，正式宣佈：在503個量子比特的D-Wave Two型的量子計算機上的實驗數據表明，沒有任何量子加速的證據。MIT計算機科學家和量子計算專家Scott Aaronson認為D-Wave是炒作高手，而且認為D-Wave即使推出所謂1000位的量子計算機也不會有什麼改變，因為這在原理上也不會再有量子加速的優勢。

僅僅時隔一年，為何有如此大的反差，到底是谷歌對科研成果注水，進行商業炒作，還是美國加州大學的專家錯了？俄羅斯媒體聲稱“中國基於金剛石建成的世界首台量子計算機”與谷歌推出的D-Wave量子計算機孰優孰劣呢？

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。

舉例來説，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。

谷歌的D-Wave並非標準量子計算機

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。

那谷歌宣稱“解決問題時能夠比其他任何計算機都快出一億倍”是怎麼回事呢？

谷歌的D-Wave

谷歌的D-Wave是量子退火機，算法和一般意義理解的加減乘除的算法是有區別的，一般的算法，比如求開方或求互質是有標準的程序。而蒙特卡羅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；其量子處理器由低温超導體材料製成，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5米，厚0.1米的牆，要翻過去必須有不亞於PLA的身手。但量子力學層面，有一定的概率普通人可以直接穿牆。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，做特殊算法的計算機。谷歌的退火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。

中國量子計算取得突破

杜江峯研究組把金剛石的一個碳原子由氮原子取代，外加氮原子旁邊的一個空位，組成了ＮＶ色心結構，成為單自旋固態量子計算的載體。基於金剛石體系的固態量子計算有標準量子計算的門操作，是真正的量子計算。

金剛石中NV色心的結構

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的足夠優勢，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，而且退相干的速度隨着體系的擴大而呈指數增加，量子比特越多，退相干速度越快。

這時候就必須採用糾錯碼技術，鑑定噪聲的可能狀態，在假定了噪聲特性的基礎上，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，對噪聲的總體水平有一個約束的關係）——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。

杜江峯研究組在傳統的糾錯碼下達到了非常高的操作精度，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。

NV 色心 GSD 成像實驗平台

要構建量子計算機，下一步的工作就是系統擴展，把成百上千的邏輯比特都達到滿足容錯計算的精度，那量子計算就可以實現了。但系統擴展難度非常大，建成量子計算機任重道遠。因此，雖然杜江峯研究組確實取得了關鍵技術突破，但俄媒報道“中國學者基於金剛石建成世界首台量子計算機”顯然是誇大其詞。

中美量子超算孰優孰劣

杜江峯研究組基於金剛石體系的固態量子計算是開創了一個新體系，但其NV色心可集成性遠遠不如量子點系統和超導系統，離建成真正的量子計算機還有相當漫長的路要走。

量子點系統、超導系統具有可集成性，但操作精度遠遠達不到量子計算的要求——而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。而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着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。

因此，就構建標準量子計算機而言，杜江峯研究組顯然是走在了谷歌前頭。

但中科大和谷歌並非中美兩國唯一研究量子計算的科研單位——清華大學正在研究離子和核自旋的量子計算；國防科大和中科院武漢物理數學所正在研究離子系統的量子計算；南京大學正在研究基於超導材料的量子計算，這些單位都建成了相應的實驗平台，具備了開展高水平研究的條件。而美國IBM也在量子計算機領域深耕多年（非谷歌的退火機，是真正的量子計算機）。在此情形下，斷言中美量子計算孰優孰劣還為時尚早。

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