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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