世界第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)問(wèn)世，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、朱曉波，浙江大學(xué)王浩華教授研究組聯(lián)合研制。其實(shí)這并不是中國(guó)第一次公開(kāi)在量子計(jì)算方面取得的成績(jī)，早在2015年，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》就報(bào)道過(guò)：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰研究組在固態(tài)自旋體系中實(shí)現(xiàn)了達(dá)到容錯(cuò)閾值的普適量子邏輯門，這一結(jié)果代表了目前固態(tài)自旋體系量子操控精度的世界最高水平，研究成果發(fā)表在11月25日的Nature Communications上。

在2016年，央視新聞報(bào)道：中國(guó)量子計(jì)算機(jī)取得突破性進(jìn)展，中國(guó)科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)。在上個(gè)月，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士透露，中科院正在研制中國(guó)首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)在最近幾年內(nèi)有望研制成功。
那么量子計(jì)算到底什么？相對(duì)于現(xiàn)在使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，又有什么優(yōu)勢(shì)呢？本次發(fā)布的量子模擬機(jī)性能究竟怎么樣呢？
經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展遭遇瓶頸
在過(guò)去幾十年中，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，芯片的集成度和制造工藝突飛猛進(jìn)。但隨著制造工藝的進(jìn)步，晶體管柵長(zhǎng)不斷變小的同時(shí)，也帶來(lái)了副作用——那就是會(huì)使電子移動(dòng)的距離縮短，容易導(dǎo)致晶體管內(nèi)部電子自發(fā)通過(guò)晶體管通道的硅底板進(jìn)行的從負(fù)極流向正極的運(yùn)動(dòng)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)外巨頭開(kāi)發(fā)出SOI技術(shù)和鰭式場(chǎng)效電晶體技術(shù)，通過(guò)在源極和漏極埋下一層強(qiáng)電介質(zhì)膜，或者增加絕緣層的表面積來(lái)增加電容值，防止發(fā)生電子躍遷，這使得摩爾定律得以延續(xù)。
但隨著制造工藝發(fā)展到7nm，如果要進(jìn)一步縮短晶體硅的柵長(zhǎng)，又會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)，粒子迅速穿越勢(shì)壘——在勢(shì)壘一邊平動(dòng)的粒子，當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過(guò)勢(shì)壘的；而對(duì)于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘。
打個(gè)比方，就是只如果你面前有一道10米高墻，按照經(jīng)典力學(xué)，如果找不到合適的工具，你就翻不過(guò)去。但對(duì)于微觀粒子來(lái)說(shuō)，由微觀粒子波動(dòng)性，可以直接穿墻而過(guò)。正是由于隧穿效應(yīng)使得摩爾定律在當(dāng)下已然失效，經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展陷入瓶頸。經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問(wèn)題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能增長(zhǎng)越來(lái)越困難。最典型的例子莫過(guò)于CPU巨頭Intel，在2013年之后，Intel的CPU性能增長(zhǎng)比較有限，因而被網(wǎng)友調(diào)侃是“牙膏廠”。在不久前更是取消了有20年歷史的英特爾開(kāi)發(fā)者論壇。這其中的原因之一就是撞上了性能天花板。
在經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展遭遇瓶頸的情況下，探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)就成為必由之路。
量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)
量子計(jì)算機(jī)具有極大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超并行計(jì)算能力。例如，如果是求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計(jì)用十幾萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)完成，而量子計(jì)算機(jī)原則上可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。因此，量子計(jì)算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。
中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士曾表示：使用億億次的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的方程組，所需時(shí)間為100年。而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。
本次發(fā)布的兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)性能到底咋樣
以目前的情況看，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)和量子點(diǎn)系統(tǒng)由于具有較好的可拓展性，公開(kāi)的研究成果也比較多。
就量子點(diǎn)系統(tǒng)而言，中國(guó)暫時(shí)領(lǐng)先西方國(guó)家。在2016年，中國(guó)科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片由砷化鎵材料制造，用量子點(diǎn)（用半導(dǎo)體工藝做出一個(gè)模擬原子能級(jí)的結(jié)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)量子比特，邏輯比特?cái)?shù)量為3個(gè)。半導(dǎo)體量子芯片精度達(dá)到90%，在量子糾錯(cuò)碼的輔助下，該量子芯片的精度也達(dá)到了滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度。相比之下，國(guó)外目前還停留在四個(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)比特，在該領(lǐng)域中國(guó)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
本次發(fā)布會(huì)上公開(kāi)的是兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學(xué)，兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)都有10個(gè)量子比特。超過(guò)了美國(guó)航天航空局、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、谷歌宣布實(shí)現(xiàn)的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操作。
那么，這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)性能究竟怎么樣呢？
這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)雖然符合標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算概念，但都是專用機(jī)，而非通用機(jī)——超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺(tái)原型機(jī)是用來(lái)做線性方程組求解的；基于線性光學(xué)的原型機(jī)是用來(lái)做玻色取樣的。
在性能上，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的取樣速度不僅比國(guó)際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少24000倍。同時(shí)，通過(guò)和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10-100倍。
換言之，就是這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)只是在線性方程組求解和玻色取樣任務(wù)時(shí)，與人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）相比較，運(yùn)行速度快10-100倍。
因此，這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)是專用機(jī)，而且對(duì)比的對(duì)象也是人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）。從中可以看出，這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)只是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中的一小步。雖然在未來(lái)也許會(huì)有與ENIAC、TRADIC類似的歷史地位，但無(wú)論從性能，還是從通用性的角度上說(shuō)，都不宜過(guò)度拔高這兩臺(tái)有10個(gè)量子比特原型機(jī)的先進(jìn)性。
同時(shí)，也不能因此就貶低這兩臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)。畢竟不積跬步，無(wú)以至千里，不積小流，無(wú)以成江海。只要不斷取得技術(shù)突破，夯實(shí)技術(shù)儲(chǔ)備，就有可能制造出具有超越“神威太湖之光”計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)。
需要說(shuō)明的是，相對(duì)于兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了10個(gè)量子比特的成績(jī)，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的量子操作水平格外出色——這種量子計(jì)算專用機(jī)運(yùn)行一次，就相當(dāng)于做一次超高難度的物理實(shí)驗(yàn)。能夠制造并使用這種量子計(jì)算專用機(jī)需要非常高的操作水平。
因而中國(guó)發(fā)表兩臺(tái)有10個(gè)量子比特原型機(jī)，折射出在量子操作水平上，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)處于暫時(shí)領(lǐng)先地位。而且潘建偉研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在2017年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操作。
結(jié)語(yǔ)
正如之前介紹的，目前的技術(shù)成果距離真正建成性能優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)依舊有一定難度。中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士透露的中國(guó)正在研制的首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)到底會(huì)采用什么方案，目前還未公開(kāi)。但種種跡象表明，前進(jìn)的方向已經(jīng)找到了。我們也期待性能能夠超過(guò)經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)能夠早日問(wèn)世。