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量子计算机迈出实用化脚步
来源:     作者:      2016-10-08 11:53       

 量子计算机已经历史性地“迈出了实用化的步伐”。图片来源:百度图片

■本报记者 赵广立

9月以来,多家媒体援引外媒New Scientist的报道,称谷歌正在加紧其量子计算机研发步伐,报道中不乏“量子计算领域正在快速重组,谷歌的工程师已经悄悄拿出了计划要成为该领域的霸主”“最快明年年底之前就能实现目标”这样的措辞。一时间,量子计算机这一跨时代的“黑科技装备”似乎已款步而来。

然而,《中国科学报》记者经多方访问了解到,量子计算机的研发门槛之高、难度之大,虽举国体制亦不敢妄言“几年内便可成为现实”。就连谷歌高薪聘请的来自加州大学圣巴拉拉分校的知名物理学家约翰·马提尼斯(John Martinis)本人也曾表示:“尝试制造一台实际意义上的量子计算机,简直是物理学上的一个噩梦”。

经过对一些中文媒体报道的分析,记者发现,谷歌“几年内实现量子计算机计划目标”多为第三方的乐观预估和解读,而“谷歌欲成为量子计算领域霸主”,则多为媒体未经核实谷歌工程师发表的关于量子计算计划论文、转而对外媒报道的曲解和误读。

被误读的“量子霸权”

翻看New Scientist的报道可以看出,将谷歌量子计算机计划等同于“量子霸权”属于误读。

首先,谷歌的确有一整套量子机器学习的计划,这从其早早设立“量子人工智能实验室”这一部门即可看出。但是,谷歌量子计算机并没有“量子霸权”这样一个名字。

New Scientist对谷歌量子计算机计划报道的标题是“Google’s plan for quantum computer supremacy”,supremacy在词典上有“霸权”“至高无上”“优越”之意,但将quantum computer supremacy编译为“量子霸权”显然有赚取眼球之嫌。况且在该标题中,supremacy首字母为小写,并不能将其认为是谷歌为量子计算机计划拟定的项目名称。

一位接近谷歌的匿名人士告诉《中国科学报》记者,在谷歌的语境里,quantum supremacy指的仅仅是,一台量子计算机能比经典计算机更好地解决一个计算问题,就说明这台量子机具有“quantum supremacy”。在这个语境下,该词组最好翻译成“量子机优越性”。

也就是说,谷歌近期的目标其实很实际,只要证明一台基于量子理论的机器能解决一个经典计算机不能更好地解决的事,就能说明量子计算机相对经典计算机的确具有“优越性”。

记者查阅材料得知,谷歌在为其量子机选取的数学问题上认为,只要其量子机能模拟50个量子比特构成的网络,就算打败“最多只能模拟42个量子比特构成的网络”的超级计算机Edison。谷歌认为,这个实验会是一次证据确凿的“quantum supremacy”。

此外,谷歌也并没有宣称明年底或者具体何年何月就能实现这个目标。上述报道中也是引用一些业内人士的观点,认为谷歌“最早明年底就能实现这个目标”,“5年的时间里都实现不了这个目标会显得不可思议”。而谷歌自己的计划是大约10年的时间,至少要在谷歌自己的服务中用上量子机器学习。

量子计算机已走出“象牙塔”

中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿在接受《中国科学报》记者采访时表示,尽管谷歌未明确说明其计划完成的50个量子比特芯片的目标中量子比特数是“物理比特”还是“逻辑比特”,仅就量子计算机这一前沿性科学领域由作为企业的谷歌引领这一点而言,足以说明量子计算机已非昔日科研机构“象牙塔”里的探索性科学课题,而是已经历史性地“迈出了实用化的步伐”。

那么,谷歌的量子计算机的这一步到底迈出了多远呢?

郭光灿解释说,量子比特存在物理比特和逻辑比特两个概念。物理比特并不稳定,即便现在可以做到50个物理比特的量子芯片,但因其不稳定,量子相干持续时间太短,无法以量子态完成计算,因此不能称之为量子计算机;而要经过纠错码或编码对量子态进行“维持”,就需要多位物理比特才能生成一个逻辑比特,由多个这样的逻辑比特组成的量子芯片才能有很好的量子相干性和容错特性,做成的量子计算机才称得上真正的量子计算机。

因此,谷歌计划完成的50个量子比特的目标,如果是逻辑比特,就量子位的数量而言,确实是足以称之为真正意义上的量子计算机;但如果是物理比特,50个物理比特距离超越传统计算机的量子计算机依旧有相当大的差距。

而这正是制造量子计算机的难点。谷歌在其发表的论文中的确也提到了“without error correction”这点,如果不需要纠错的机器能够解决一些实际问题,无疑会让实现quantum supremacy这个目标离我们更近。

郭光灿告诉记者,一般认为,量子计算要产生相对于传统计算足够多的优势,有效的逻辑比特的数目必须要大于30个才行,而要完全通用量子计算,要几十、上百个可实现任意量子逻辑操作的量子逻辑比特。

计算技术的下一个里程碑

如果研制出真正的通用量子计算机,那么它的诞生的确对经典计算机有压倒性优势。特别是在超并行计算能力方面,量子计算机大幅优于经典计算机。例如,求一个300位数的质因数,目前最好的经典计算机可能需要上千年的时间来完成,而量子计算机理论上可以在几小时甚至几分钟内完成。特别是在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域,量子计算具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

“如果把经典超级计算机比作常规导弹,量子计算机就好比核弹头。”郭光灿用这个形象的比喻说明了二者的区别,“当然,就像我们平时不可能随便动用核弹,常规计算机也不会因量子计算机的出现而被淘汰,但量子计算机就是这样,它的出现将在计算能力上碾压经典计算机。”

不过,不少物理学家都认为,通用量子计算机实用化或许是太过困难的事,但能实用化特定目的的(尤其机器学习相关)量子计算机就已经有巨大的学术价值和工业价值了。

对量子计算充满兴趣的麻省理工学院的计算机科学家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)就持此看法,他就谷歌量子计算机计划发表了自己的公开评论。

“在量子计算实验领域,与经典计算机对决的一些人所谓的谷歌‘量子霸权’计划最是让我兴奋不已。这是一个清晰的目标:用量子计算硬件去达成对某些定义好的数学任务的加速——相对于经典算法而言。尽管目前的‘量子计算机’是特制的、非可扩展性硬件的专门机器,但这仍将是科学上一个重要的里程碑。它反驳了那些认为量子计算不能够实用的人,并且将给未来硬件升级能够解决更多实用问题以舞台。”

斯科特·阿隆森还很乐观地预计,“‘quantum supremacy’计划将在5~10年内实现,并且我认为硬件工程师们应该将焦点聚集在此:相对于实际应用中的‘纠缠’问题,为何不先去实现这一里程碑,然后再去担心如何实际应用?”

中国已经落后

记者了解到,谷歌并不是世界上唯一进行量子计算机探索的机构。相反,这一领域其实已经成为下一个“军备竞赛高地”。除美国谷歌、IBM、耶鲁大学等机构开展了相应的量子计算研制项目之外,日本、澳大利亚等国家也另辟蹊径,潜心开展了量子计算芯片等的研制项目。

“上世纪70年代费曼最早提出‘量子计算机’的概念,但直到上世纪90年代左右国际量子学界才开始转向量子计算机的探索与研究。迄今发展不足三十年。”郭光灿告诉记者,“但中国在量子计算机方面的研究才刚刚起步,关注也是只有十多年的光景,足足落后了一半的时间。”

记者了解到,在国内通过不同方法开展量子芯片研究的有中国科技大学、南京大学和中科院物理所等单位,分别采用了半导体量子点芯片、超导量子芯片的方案;尚未见有企业投入研发团队开展此类研究。

需要指出的是,量子计算机的战略意义巨大。一旦通用型量子计算机实现突破,首先可以知道,所有银行里、政府机关,甚至是军队中用的RSA密码的破译难题将得到有效的解决——这不亚于原子弹对世界格局的影响。

中科院量子信息重点实验室半导体量子点量子芯片研究方向带头人郭国平告诉《中国科学报》记者,相比量子通讯和量子密码而言,量子计算机门槛更高,难度更大,产出成果的周期更长,是“难啃的硬骨头”。正因如此,国内鲜有甘坐冷板凳者从事相关的研发。

“量子计算是长周期的课题,研究了可能会后悔,但如果不去研究,可能会更后悔。”郭国平说,我们国家应该倡导更多人愿意“啃硬骨头”,厚积薄发,只有这样,才能将量子计算各阶段的核心技术掌握在自己手里。

“就好比我国钢铁业,一边在‘去产能’,一边制造不出高质量的特种钢,问题就出在我们没有掌握关键技术。量子计算机也是这样。”郭国平说,“我们不能错过发展机遇,核心技术是买不来的,不掌握将永远受制于人。”