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美国谷歌量子计算机全球超中国宣传

2019/06/09 来源:温州信息港

导读

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日前,谷歌宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone,超越了之前IBM曝光的50个量子比特量子原型机。在量子比特数目上达到全球。由于“量子”概念被媒体炒得火热,量子计算机受到了媒体和资本的热捧,国内外诸多企业和科研机构都纷纷宣布自己在量子计算方面取得的成绩。

不过,这里所谓的“通用量子计算机”的称呼,其实是具有较大水分的,国内外科研单位和公司开发的量子计算机都仅仅是功能有限的专用机,而非标准量子计算机。虽然一些国内外频频传来量子计算机研制方面的好成绩,而且谷歌也给Bristlecone冠以“通用量子计算机”的名头,但要制造出性能超越如今经典计算机,具备通用性的标准量子计算机,依旧是任重而道远。

国内外研发机构纷纷发布各自取得的成绩

近年来,关于量子计算机的各种不绝于耳,中科大潘建伟院士团队,美国IBM公司、Intel公司先后开发出了量子计算原型机。

在2018年2月,中国科学技术大学郭光灿院士团队创新性地制备了半导体六量子点芯片,在国际上首次实现了半导体体系中的三量子比特逻辑门操控。与此同时,中科院量子信息与量子科技创新研究院与阿里云发布11比特的云接入超导量子计算服务。

不过,半导体量子芯片的路子不被国际主流看好,主要是扩展性方面存在一些短板,郭光灿院士团队扩展系统的难度非常大。相比之下,低温超导系统因其具备非常好的扩展性,被业内广泛看好。之前介绍的IBM、谷歌、英特尔和潘建伟院士团队的方案都是基于低温超导系统的方案。

IBM量子计算原型机

现有的量子计算机无法取代经典计算机

也许有人会说,50个量子比特就可以实现量子制霸,英特尔和IBM都已经达到量子制霸的门槛了,而谷歌都已经做到72个量子比特了,那么,为何说现有的量子计算机无法取代经典计算机?

原因就在于全球没有任何一家机构能实现一位逻辑比特的编码,这是什么意思呢?

量子比特分为物理比特和逻辑比特。由于噪声的客观存在,以及物理比特的稳定性存在一定瑕疵,因而只能通过对数个物理比特做冗余处理,生成了一个逻辑比特。一般来说,噪声越小的系统就可以使用越少的物理比特编码一个逻辑比特。相对于物理比特,逻辑比特有较好的容错特性。

那么,到底要多少个物理比特才能通过编码形成一个逻辑比特呢?

来自哈佛大学的量子物理学家阿兰·阿斯普鲁古兹克预计在现在的技术水平下大约需要上万个实际量子比特才能做出一个逻辑比特。随着技术进步,这一数字可能会降低到只需要几千个甚至数百个。

德国柏林自由大学的学者埃斯特认为现在大约800个物理比特就能够构建一个逻辑比特。

因此,虽然IBM、谷歌、英特尔做出了49、50、72个物理比特的原型机,但如果想要做出逻辑比特,目前物理比特的数量还是不太够用的。

编码形成逻辑比特的意义就在于能够形成类似经典计算机0和1的概念,这是物理比特做不到的。现在的量子计算机的量子比特都是物理比特,而非逻辑比特。

这里要强调的是,想建成具备通用性的标准量子计算机,就必须能够做出逻辑比特。然而现实却是,全球没有任何一家机构能够实现一位逻辑比特的编码。这也是为什么笔者在文章开头处说,谷歌所谓的“通用量子计算机”名不副实。

另外,消相干也是也是一个棘手的问题。在进行量子计算的时候,必须确保所有的量子比特处于相干态中。这是一个十分困难的要求,因为量子相干系统会与它们周围的环境相互影响,使得相干性迅速衰减,而且随着量子比特数量的增加,保持相干态将变得越来越难。

因此,要制造处量子计算机,就必须具备延缓消相干的能力,而目前相干性多只能保持不到一秒。要在这么短的时间内能完成一定逻辑操作的次数,又对量子逻辑门切换的速度提出了非常高的要求。

事实上,这些量子计算机还处于非常原始的阶段,只能用于特定应用。我们在看到量子计算机取得喜人进展,恭喜国外谷歌、IBM、Intel等公司取得阶段性成果的同时,也不宜过分对这些成绩拔高。

中国科学技术大学陆朝阳教授(中)和学生们在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室检查光量子计算机的运行情况。

结语

目前来看,无论是国外谷歌、IBM、英特尔公司研发的量子计算机,还是国内潘建伟院士团队与合作伙伴共同研发量子计算原型机,都不是标准计算机。

研发标准量子计算机究竟难在哪里呢?总结一下,主要是实现不了编码逻辑比特,其次还有系统扩展、逻辑门精度、相干消等几个方面。正是因为存在这些技术瓶颈,现在大家研发出来的量子计算机,都只称为原型机,都只能做单一特定功能,无法实现通用量子计算。

正是因为研发标准量子计算机的难度非常非常大,有业内人士认为:所谓标准的量子计算机,也是一批人的定义,不见得一定是的实现方式,我们要以比较开放的态度来看这个系统是不是能够实现超越非量子的计算能力。

无独有偶,IBM的工程师也提出了“近似量子计算”的概念,也就是在无法解决编码问题的情况下,开发出能够适应、容忍噪音的算法,并得到正确的答案。这就像是在大选中,统计人员无视一些出错的电子选票后,仍然得到正确的选举结果。

总而言之,量子计算机必然会先以量子模拟机的形式出现,并在特定领域取得自己的立足之地。若要制造出具有通用性,且性能超越经典计算机的标准量子计算机,则是一项非常艰巨的任务!

瑞士苏黎世皇家理工学院的物理化学家马科斯。雷勒表示:“如果我们拥有超过200个逻辑比特位,我们就能在量子化学上做到传统计算机无法做到的事情,如果拥有5000个逻辑比特位,量子计算机将为这一领域带来颠覆性的改变。”

诚然,这只是科学家的憧憬,不过,我们期待这一天的到来。

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