世界第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機問世，這臺量子計算機由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、朱曉波，浙江大學(xué)王浩華教授研究組聯(lián)合研制。其實這并不是中國第一次公開在量子計算方面取得的成績，早在2015年，《中國科學(xué)報》就報道過：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰研究組在固態(tài)自旋體系中實現(xiàn)了達到容錯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，央視新聞報道：中國量子計算機取得突破性進展，中國科技大學(xué)量子實驗室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲。在上個月，中國科學(xué)院院長白春禮院士透露，中科院正在研制中國首臺量子計算機，預(yù)計在最近幾年內(nèi)有望研制成功。
那么量子計算到底什么？相對于現(xiàn)在使用的經(jīng)典計算機，又有什么優(yōu)勢呢？本次發(fā)布的量子模擬機性能究竟怎么樣呢？
經(jīng)典計算機發(fā)展遭遇瓶頸
在過去幾十年中，由于計算機技術(shù)飛速發(fā)展，芯片的集成度和制造工藝突飛猛進。但隨著制造工藝的進步，晶體管柵長不斷變小的同時，也帶來了副作用——那就是會使電子移動的距離縮短，容易導(dǎo)致晶體管內(nèi)部電子自發(fā)通過晶體管通道的硅底板進行的從負(fù)極流向正極的運動，為了解決這個問題，國外巨頭開發(fā)出SOI技術(shù)和鰭式場效電晶體技術(shù)，通過在源極和漏極埋下一層強電介質(zhì)膜，或者增加絕緣層的表面積來增加電容值，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，如果要進一步縮短晶體硅的柵長，又會發(fā)生隧穿效應(yīng)，粒子迅速穿越勢壘——在勢壘一邊平動的粒子，當(dāng)動能小于勢壘高度時，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘。
打個比方，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，你就翻不過去。但對于微觀粒子來說，由微觀粒子波動性，可以直接穿墻而過。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)典計算機發(fā)展陷入瓶頸。經(jīng)典計算機發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問題，傳統(tǒng)計算機的性能增長越來越困難。最典型的例子莫過于CPU巨頭Intel，在2013年之后，Intel的CPU性能增長比較有限，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)典計算機發(fā)展遭遇瓶頸的情況下，探索全新物理原理的高性能計算技術(shù)就成為必由之路。
量子計算的優(yōu)勢
量子計算機具有極大超越經(jīng)典計算機的超并行計算能力。例如，如果是求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計用十幾萬年的時間來完成，而量子計算機原則上可以在很短的時間內(nèi)完成。因此，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，是新概念高性能計算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢。
中國科學(xué)院院長白春禮院士曾表示：使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。
本次發(fā)布的兩臺量子計算原型機性能到底咋樣
以目前的情況看，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)和量子點系統(tǒng)由于具有較好的可拓展性，公開的研究成果也比較多。
就量子點系統(tǒng)而言，中國暫時領(lǐng)先西方國家。在2016年，中國科技大學(xué)量子實驗室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片由砷化鎵材料制造，用量子點（用半導(dǎo)體工藝做出一個模擬原子能級的結(jié)構(gòu)）實現(xiàn)量子比特，邏輯比特數(shù)量為3個。半導(dǎo)體量子芯片精度達到90%，在量子糾錯碼的輔助下，該量子芯片的精度也達到了滿足容錯計算的精度。相比之下，國外目前還停留在四個量子點編碼的兩個比特，在該領(lǐng)域中國已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平。
本次發(fā)布會上公開的是兩個量子計算原型機，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學(xué)，兩個量子計算原型機都有10個量子比特。超過了美國航天航空局、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、谷歌宣布實現(xiàn)的9個超導(dǎo)量子比特的高精度操作。
那么，這兩臺量子計算原型機性能究竟怎么樣呢？
這兩臺量子計算原型機雖然符合標(biāo)準(zhǔn)的量子計算概念，但都是專用機，而非通用機——超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺原型機是用來做線性方程組求解的；基于線性光學(xué)的原型機是用來做玻色取樣的。
在性能上，實驗測試表明，該原型機的取樣速度不僅比國際同行類似的實驗加快至少24000倍。同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍。
換言之，就是這兩臺量子計算原型機只是在線性方程組求解和玻色取樣任務(wù)時，與人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺晶體管計算機（TRADIC）相比較，運行速度快10-100倍。
因此，這兩臺量子計算原型機是專用機，而且對比的對象也是人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺晶體管計算機（TRADIC）。從中可以看出，這兩臺量子計算原型機只是量子計算機發(fā)展歷程中的一小步。雖然在未來也許會有與ENIAC、TRADIC類似的歷史地位，但無論從性能，還是從通用性的角度上說，都不宜過度拔高這兩臺有10個量子比特原型機的先進性。
同時，也不能因此就貶低這兩臺量子計算原型機。畢竟不積跬步，無以至千里，不積小流，無以成江海。只要不斷取得技術(shù)突破，夯實技術(shù)儲備，就有可能制造出具有超越“神威太湖之光”計算能力的量子計算機。
需要說明的是，相對于兩個量子計算原型機實現(xiàn)了10個量子比特的成績，中國科研團隊的量子操作水平格外出色——這種量子計算專用機運行一次，就相當(dāng)于做一次超高難度的物理實驗。能夠制造并使用這種量子計算專用機需要非常高的操作水平。
因而中國發(fā)表兩臺有10個量子比特原型機，折射出在量子操作水平上，中國科研團隊已經(jīng)處于暫時領(lǐng)先地位。而且潘建偉研究團隊還計劃在2017年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操作。
結(jié)語
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)典計算機的標(biāo)準(zhǔn)量子計算機來說依舊有一定難度。中國科學(xué)院院長白春禮院士透露的中國正在研制的首臺量子計算機到底會采用什么方案，目前還未公開。但種種跡象表明，前進的方向已經(jīng)找到了。我們也期待性能能夠超過經(jīng)典電子計算機的標(biāo)準(zhǔn)量子計算機能夠早日問世。