科工力量:中国的量子计算原型机什么水平

5月3日,中国两台量子计算原型机问世,这两台原型机由中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等单位或公司联合研制。虽然有媒体对该技术成果冠以“解读中国量子计算机,比神威·太湖之光还厉害?”这类的标题进行报道。但就以技术成果的目标而言,距离制造真正通用的标准量子计算机还有很长的路要走,本次发布的两台原型机,仅仅是中国量子计算研发中迈出的一小步。

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潘建伟教授在5月3日新闻发布会

两台量子计算机性能究竟怎么样

首先来看光量子计算原型机。据中科院院士潘建伟介绍,研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,构建出光量子计算原型机,该原型机的“玻色取样”速度比业界快了2.4万倍。通过和经典算法比较发现,这台光量子计算原型机比人类首台电子管计算机(ENIAC)和首台晶体管计算机(TRADIC)运行速度提高10至100倍。

从潘建伟院士的表述中可以发现,这台光量子计算原型机是基于线性光学,把量子点当做单光子源来使用,而且可以实现十光子纠缠操纵。这个成绩已经超过了美国保持的9个量子比特操纵记录。

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从公布的结构图上看,图片右下角的是量子点单光子源,被包裹在在一个液氦温度的容器里,也就是图片右侧的那个立方体和圆柱体结合成的“大罐子”。最右侧的那个小柱子就是放大的一个量子点系统的样子,是在一个半导体柱子状的微腔中间生长一个铟稼砷量子点。发射出来的单光子被收集后,通过单光子开关输入到计算光路中,然后计算结果通过探测器的计数,再通过信号处理后就可以得到了。

玻色取样解释起来比较复杂,这个过程可以理解为一个泊松抽样的量子模拟,研制量子计算机的科学家之所以对这个问题有兴趣,因为这是一个#P-Hard问题,比NP-Hard问题要困难得多,而NP-Hard问题又是NP问题里面最难的一种,NP问题是指还未被证明是否存在多项式算法能够解决的问题,可见玻色取样对经典计算机有多棘手。

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单光子操作

从用途上看,这台光量子计算原型机肯定是专用机,而非通用机——只能用来做玻色取样。而且这台光量子计算原型机在“玻色取样”方面运行速度比国际同行快了2.4万倍,与人类首台电子管计算机(ENIAC)和首台晶体管计算机(TRADIC)相比,运行速度提高10至100倍。

在肯定这台光量子计算原型机在“玻色取样”方面运行速度比国际同行快了2.4万倍的同时,也需要清醒认识到,这台光量子计算原型机对标的是人类首台电子管计算机(ENIAC)和首台晶体管计算机(TRADIC),比这两台机器运行速度提高10至100倍。其性能还是比较有限的,一些媒体拿神威·太湖之光来做参照,这种做法其实不太妥当。

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十超导量子比特的纠缠态

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基于超导量子处理器的线性方程解法演示

再来看另外一台低温超导系统的原型机。这台量子计算原型机也实现了10个量子比特,而且和光量子计算原型机一样,也是专用机——只能用来做线性方程组求解。虽然没有这台低温超导系统的原型机的其他介绍,但应该也是类似于ENIAC和TRADIC的存在——性能和通用性一般,但却是国内在该领域迈出的一小步,因而颇具意义。

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客观评价中国的量子计算原型机

之前提到了,这两台量子计算原型机只是分别用于线性方程组求解和玻色取样的专用机,而且性能相对于现在非常成熟的经典计算机而言也比较一般。但也不必妄自菲薄,毕竟量子计算机相对于经典计算机优势巨大。

量子计算就是利用了量子叠加和量子纠缠的特点实现了高超的并行计算能力。拥有N个量子态的量子计算机一次操作等于是一次演化相当于完成了2的N次方个数据的并行处理,这就使量子计算机相对于经典计算机处于优势。特别是在超并行计算能力方面,量子计算机的优势格外突出。

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世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机

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正如初生的婴儿虽然比较弱小,但由于量子计算机有相对于经典计算机更大的发展潜力,因而不能用现在两台原型机在通用性和性能方面存在的瑕疵而一棍子打死。

另外,我们也不能妄自尊大。不能因两台量子计算原型机的成功而忽视国外的技术进步。

比如在2012年,R. J. Schoelkopf在超导线路中实现三比特的量子纠错编码。在2015年John M. Martinis在超导线路中实现了九比特的量子操控。本次中国自主研发的10量子比特低温超导量子计算原型机,正是打破了John M. Martinis在2015年的成绩。从宏观上看,中美两国在量子计算机研发中有可能会表现出交替领先的情况。

除了低温超导系统以外,目前还有量子点系统、离子阱、拓扑量子计算等研究方向。不过,由于低温超导系统和量子点系统具有较好的扩展性,更适合工业化生产,因而把这两个方向作为主攻方向的研究者更多一些。把低温超导系统和量子点系统对比,低温超导系统的研究者又比量子点系统的研究者更多一些。

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中国科学技术大学教授朱晓波正在展示超导量子比特处理器的芯片

量子点系统的一大方向就是半导体量子点,比如Intel就非常热衷于研究硅基半导体量子芯片,其中原因就在于Intel想借助自己在硅基芯片领域一些成熟的技术。国外新南威尔士大学也有实现2个量子比特的硅基半导体量子芯片的新闻。

在半导体量子点方面,中国在2010年左右制备单个量子点,在2011年实现双量子点,在2012—2013年实现两个量子点编码的单量子比特,在2014—2015实现四量子点编码的两个量子比特,在2016年已经做到六个量子点编码为三个量子比特,并实现了三个比特量子门操作。在中国接连取得进步的同时,国外目前还停留在四个量子点编码的两个比特,在该领域中国已经达到国际领先水平。

不过,要实现量子计算,不仅要有足够多的物理比特,再通过做冗余处理形成逻辑比特,还要有足够高的逻辑门精度,单比特逻辑门和双比特逻辑门精度要能满足量子计算的门槛。当逻辑比特数量超过30,而且有足够高的逻辑门精度,才能制造出可以媲美或者超越经典计算机计算性能的量子计算机。

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有了良好开端,迈出了可喜的一步,这一步是中国创意。

5楼carph

虽然看不懂,但是很受鼓舞,在中国新一代产品井喷的背后,有多少基础工作的劳动者在默默工作,向带头的和背后的劳动者致敬,你们是真正的英雄!

中国的量子计算机已超过美国很多个数量级,而且在未来一两年内中国的量子计算机将让美国绝了能赶上中国的想法!

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