量子計算機走出“象牙塔” 中國已經(jīng)落后

　　9月以來，多家媒體援引外媒NewScientist的報道，稱谷歌正在加緊其量子計算機研發(fā)步伐，報道中不乏“量子計算領(lǐng)域正在快速重組，谷歌的工程師已經(jīng)悄悄拿出了計劃要成為該領(lǐng)域的霸主”“最快明年年底之前就能實現(xiàn)目標”這樣的措辭。一時間，量子計算機這一跨時代的“黑科技裝備”似乎已款步而來。

　　然而，記者經(jīng)多方訪問了解到，量子計算機的研發(fā)門檻之高、難度之大，雖舉國體制亦不敢妄言“幾年內(nèi)便可成為現(xiàn)實”。就連谷歌高薪聘請的來自加州大學圣巴拉拉分校的知名物理學家約翰·馬提尼斯(JohnMartinis)本人也曾表示：“嘗試制造一臺實際意義上的量子計算機，簡直是物理學上的一個噩夢”。

　　經(jīng)過對一些中文媒體報道的分析，記者發(fā)現(xiàn)，谷歌“幾年內(nèi)實現(xiàn)量子計算機計劃目標”多為第三方的樂觀預估和解讀，而“谷歌欲成為量子計算領(lǐng)域霸主”，則多為媒體未經(jīng)核實谷歌工程師發(fā)表的關(guān)于量子計算計劃論文、轉(zhuǎn)而對外媒報道的曲解和誤讀。

　　被誤讀的“量子霸權(quán)”

　　翻看NewScientist的報道可以看出，將谷歌量子計算機計劃等同于“量子霸權(quán)”屬于誤讀。

　　首先，谷歌的確有一整套量子機器學習的計劃，這從其早早設(shè)立“量子人工智能實驗室”這一部門即可看出。但是，谷歌量子計算機并沒有“量子霸權(quán)”這樣一個名字。

　　NewScientist對谷歌量子計算機計劃報道的標題是“Google’splanforquantumcomputersupremacy”，supremacy在詞典上有“霸權(quán)”“至高無上”“優(yōu)越”之意，但將quantumcomputersupremacy編譯為“量子霸權(quán)”顯然有賺取眼球之嫌。況且在該標題中，supremacy首字母為小寫，并不能將其認為是谷歌為量子計算機計劃擬定的項目名稱。

　　一位接近谷歌的匿名人士告訴《中國科學報》記者，在谷歌的語境里，quantumsupremacy指的僅僅是，一臺量子計算機能比經(jīng)典計算機更好地解決一個計算問題，就說明這臺量子機具有“quantumsupremacy”。在這個語境下，該詞組最好翻譯成“量子機優(yōu)越性”。

　　也就是說，谷歌近期的目標其實很實際，只要證明一臺基于量子理論的機器能解決一個經(jīng)典計算機不能更好地解決的事，就能說明量子計算機相對經(jīng)典計算機的確具有“優(yōu)越性”。

　　記者查閱材料得知，谷歌在為其量子機選取的數(shù)學問題上認為，只要其量子機能模擬50個量子比特構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就算打敗“最多只能模擬42個量子比特構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)”的超級計算機Edison。谷歌認為，這個實驗會是一次證據(jù)確鑿的“quantumsupremacy”。

　　此外，谷歌也并沒有宣稱明年底或者具體何年何月就能實現(xiàn)這個目標。上述報道中也是引用一些業(yè)內(nèi)人士的觀點，認為谷歌“最早明年底就能實現(xiàn)這個目標”，“5年的時間里都實現(xiàn)不了這個目標會顯得不可思議”。而谷歌自己的計劃是大約10年的時間，至少要在谷歌自己的服務(wù)中用上量子機器學習。

　　量子計算機已走出“象牙塔”

　　中國科學院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦在接受《中國科學報》記者采訪時表示，盡管谷歌未明確說明其計劃完成的50個量子比特芯片的目標中量子比特數(shù)是“物理比特”還是“邏輯比特”，僅就量子計算機這一前沿性科學領(lǐng)域由作為企業(yè)的谷歌引領(lǐng)這一點而言，足以說明量子計算機已非昔日科研機構(gòu)“象牙塔”里的探索性科學課題，而是已經(jīng)歷史性地“邁出了實用化的步伐”。

　　那么，谷歌的量子計算機的這一步到底邁出了多遠呢?

　　郭光燦解釋說，量子比特存在物理比特和邏輯比特兩個概念。物理比特并不穩(wěn)定，即便現(xiàn)在可以做到50個物理比特的量子芯片，但因其不穩(wěn)定，量子相干持續(xù)時間太短，無法以量子態(tài)完成計算，因此不能稱之為量子計算機;而要經(jīng)過糾錯碼或編碼對量子態(tài)進行“維持”，就需要多位物理比特才能生成一個邏輯比特，由多個這樣的邏輯比特組成的量子芯片才能有很好的量子相干性和容錯特性，做成的量子計算機才稱得上真正的量子計算機。

　　因此，谷歌計劃完成的50個量子比特的目標，如果是邏輯比特，就量子位的數(shù)量而言，確實是足以稱之為真正意義上的量子計算機;但如果是物理比特，50個物理比特距離超越傳統(tǒng)計算機的量子計算機依舊有相當大的差距。

　　而這正是制造量子計算機的難點。谷歌在其發(fā)表的論文中的確也提到了“withouterrorcorrection”這點，如果不需要糾錯的機器能夠解決一些實際問題，無疑會讓實現(xiàn)quantumsupremacy這個目標離我們更近。

　　郭光燦告訴記者，一般認為，量子計算要產(chǎn)生相對于傳統(tǒng)計算足夠多的優(yōu)勢，有效的邏輯比特的數(shù)目必須要大于30個才行，而要完全通用量子計算，要幾十、上百個可實現(xiàn)任意量子邏輯操作的量子邏輯比特。

　　計算技術(shù)的下一個里程碑

　　如果研制出真正的通用量子計算機，那么它的誕生的確對經(jīng)典計算機有壓倒性優(yōu)勢。特別是在超并行計算能力方面，量子計算機大幅優(yōu)于經(jīng)典計算機。例如，求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的經(jīng)典計算機可能需要上千年的時間來完成，而量子計算機理論上可以在幾小時甚至幾分鐘內(nèi)完成。特別是在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域，量子計算具有突出優(yōu)勢，是新概念高性能計算領(lǐng)域公認的發(fā)展趨勢。

　　“如果把經(jīng)典超級計算機比作常規(guī)導彈，量子計算機就好比核彈頭。”郭光燦用這個形象的比喻說明了二者的區(qū)別，“當然，就像我們平時不可能隨便動用核彈，常規(guī)計算機也不會因量子計算機的出現(xiàn)而被淘汰，但量子計算機就是這樣，它的出現(xiàn)將在計算能力上碾壓經(jīng)典計算機。”

　　不過，不少物理學家都認為，通用量子計算機實用化或許是太過困難的事，但能實用化特定目的的(尤其機器學習相關(guān))量子計算機就已經(jīng)有巨大的學術(shù)價值和工業(yè)價值了。

　　對量子計算充滿興趣的麻省理工學院的計算機科學家斯科特·阿隆森(ScottAaronson)就持此看法，他就谷歌量子計算機計劃發(fā)表了自己的公開評論。

　　“在量子計算實驗領(lǐng)域，與經(jīng)典計算機對決的一些人所謂的谷歌‘量子霸權(quán)’計劃最是讓我興奮不已。這是一個清晰的目標：用量子計算硬件去達成對某些定義好的數(shù)學任務(wù)的加速——相對于經(jīng)典算法而言。盡管目前的‘量子計算機’是特制的、非可擴展性硬件的專門機器，但這仍將是科學上一個重要的里程碑。它反駁了那些認為量子計算不能夠?qū)嵱玫娜?，并且將給未來硬件升級能夠解決更多實用問題以舞臺。”

　　斯科特·阿隆森還很樂觀地預計，“‘quantumsupremacy’計劃將在5~10年內(nèi)實現(xiàn)，并且我認為硬件工程師們應(yīng)該將焦點聚集在此：相對于實際應(yīng)用中的‘糾纏’問題，為何不先去實現(xiàn)這一里程碑，然后再去擔心如何實際應(yīng)用?”

　　中國已經(jīng)落后

　　記者了解到，谷歌并不是世界上唯一進行量子計算機探索的機構(gòu)。相反，這一領(lǐng)域其實已經(jīng)成為下一個“軍備競賽高地”。除美國谷歌、IBM、耶魯大學等機構(gòu)開展了相應(yīng)的量子計算研制項目之外，日本、澳大利亞等國家也另辟蹊徑，潛心開展了量子計算芯片等的研制項目。

　　“上世紀70年代費曼最早提出‘量子計算機’的概念，但直到上世紀90年代左右國際量子學界才開始轉(zhuǎn)向量子計算機的探索與研究。迄今發(fā)展不足三十年。”郭光燦告訴記者，“但中國在量子計算機方面的研究才剛剛起步，關(guān)注也是只有十多年的光景，足足落后了一半的時間。”

　　記者了解到，在國內(nèi)通過不同方法開展量子芯片研究的有中國科技大學、南京大學和中科院物理所等單位，分別采用了半導體量子點芯片、超導量子芯片的方案;尚未見有企業(yè)投入研發(fā)團隊開展此類研究。

　　需要指出的是，量子計算機的戰(zhàn)略意義巨大。一旦通用型量子計算機實現(xiàn)突破，首先可以知道，所有銀行里、政府機關(guān)，甚至是軍隊中用的RSA密碼的破譯難題將得到有效的解決——這不亞于原子彈對世界格局的影響。

　　中科院量子信息重點實驗室半導體量子點量子芯片研究方向帶頭人郭國平告訴記者，相比量子通訊和量子密碼而言，量子計算機門檻更高，難度更大，產(chǎn)出成果的周期更長，是“難啃的硬骨頭”。正因如此，國內(nèi)鮮有甘坐冷板凳者從事相關(guān)的研發(fā)。

　　“量子計算是長周期的課題，研究了可能會后悔，但如果不去研究，可能會更后悔。”郭國平說，我們國家應(yīng)該倡導更多人愿意“啃硬骨頭”，厚積薄發(fā)，只有這樣，才能將量子計算各階段的核心技術(shù)掌握在自己手里。

　　“就好比我國鋼鐵業(yè)，一邊在‘去產(chǎn)能’，一邊制造不出高質(zhì)量的特種鋼，問題就出在我們沒有掌握關(guān)鍵技術(shù)。量子計算機也是這樣。”郭國平說，“我們不能錯過發(fā)展機遇，核心技術(shù)是買不來的，不掌握將永遠受制于人。”