中国量子计算原型机究竟怎么样？

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雷锋。作者铁流和雷锋。(公开号码:雷锋。com)开始了这篇文章。

5月3日，世界上第一台基于单光子的量子模拟器超越了早期的经典计算机。这台量子计算机是由中国科技大学的潘剑伟、卢朝扬、朱晓波和浙江大学的王浩华教授共同开发的。

事实上，这不是中国第一次公开在量子计算领域取得成就。早在2015年，《中国科学》杂志就报道了中国科技大学杜江峰研究小组实现了一个通用量子逻辑门，在固态自旋系统中达到了容错阈值。这一结果代表了目前世界上固态自旋系统中最高水平的量子操纵精度，研究结果发表在11月25日的《自然通讯》上。

2016年，央视新闻报道称，中国量子计算机取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功开发了半导体量子芯片和量子存储。上个月，中国科学院院长白春礼院士透露，中国科学院正在开发中国第一台量子计算机，该计算机有望在近几年内研制成功。

那么什么是量子计算呢？与现在使用的经典电脑相比，有什么优势？这次发布的量子模拟器性能如何？

经典计算机的发展遇到了瓶颈。在过去的几十年里，由于计算机技术的快速发展，芯片的集成和制造工艺得到了突飞猛进的发展。然而，随着制造技术的发展，晶体管的栅极长度变得越来越小，但是它也带来了副作用——即，它将缩短电子移动的距离，这将容易导致晶体管内部的电子通过晶体管沟道的硅底板从负向正自发移动。为了解决这个问题，国外巨头开发了soi技术和FinFET技术，在源极和漏极上埋置一层铁电薄膜，或者增加绝缘层的表面积来增加电容和防止电子跃迁的发生，这使得摩尔

然而，随着制造工艺发展到7纳米，如果晶体硅的栅极长度进一步缩短，隧穿效应将再次发生，并且粒子将快速穿过势垒-粒子在势垒的一侧移动。根据经典力学，当动能小于势垒高度时，粒子不可能穿过势垒；对于微观粒子，量子力学证明它仍然有一定的概率穿透屏障。

例如，如果你面前有一堵10米高的墙，根据经典力学，如果你找不到合适的工具，你就不能把它翻过来。但是对于微观粒子，由于它们的波动，它们可以直接穿过墙壁。正是由于隧道效应，摩尔定律目前已经失效，经典计算机的发展陷入了瓶颈。在经典计算机的发展过程中，遇到了一系列问题，如功耗墙和通信墙，传统计算机的性能增长越来越困难。最典型的例子是中央处理器巨头英特尔。2013年后，英特尔的cpu性能增长有限，因此被网民嘲笑为“牙膏厂”。不久前，有20年历史的英特尔开发者论坛被取消了。其中一个原因是达到了性能上限。

在经典计算机发展遇到瓶颈的情况下，用新的物理原理探索高性能计算技术是唯一的途径。

量子计算的优势量子计算机具有超并行计算能力，大大超过了经典计算机。例如，如果我们在寻找一个300位数的质因数，估计需要10万年以上才能完成超级计算，而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此，量子计算在核爆炸模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出的优势，被认为是新概念高性能计算领域的发展趋势。

中国科学院院长白春礼院士曾经说过，用“天河二号”的超级计算机进行数十亿次运算，要用100年的时间才能解决一个包含数十亿个变量的方程组。然而，用一万亿量子计算机求解同一方程组只需要0.01秒。

这次发布的两个量子计算原型的性能如何

目前，低温超导系统和量子点系统因其良好的可扩展性而有更多的研究成果发表。

就量子点系统而言，中国暂时领先于西方国家。2016年，中国科技大学量子实验室成功开发了砷化镓半导体量子芯片，实现了量子点量子比特(一种利用半导体技术模拟原子能级的结构)，逻辑比特数为3。半导体量子芯片的精度达到90%。借助量子纠错码，量子芯片的精度也满足容错计算的精度。相比之下，国外仍然停留在由四个量子点编码的两位数，而中国在这一领域已经达到了国际领先水平。

在这次会议上公开了两个量子计算原型，一个基于低温超导系统，另一个基于线性光学。两个量子计算原型都有10个量子位。它超过了美国宇航局空局、加州大学圣巴巴拉分校和谷歌宣布的9个超导量子位的高精度运行。

那么，这两个量子计算原型的性能如何？

虽然这两个量子计算原型符合量子计算的标准概念，但它们都是特殊的机器，而不是一般的机器——超导系统的原型是用来解线性方程的；基于线性光学的原型用于玻色采样。

在性能方面，实验测试表明，样机的采样速度比国际同行的同类实验至少快24000倍。同时，与经典算法相比，它比人类历史上第一台电子管计算机(eniac)和第一台晶体管计算机(tradic)快10-100倍。

换句话说，这两个量子计算原型在求解线性方程和玻色采样任务时，运行速度仅比人类历史上第一台电子管计算机(eniac)和第一台晶体管计算机(tradic)快10-100倍。

因此，这两个量子计算原型是特殊的机器，比较的对象是人类历史上第一台电子管计算机(eniac)和第一台晶体管计算机(tradic)。可以看出，这两个量子计算原型只是量子计算机发展的一小步。虽然在未来可能会有类似eniac和tradic的历史地位，但从性能和普遍性的角度来看，过度提升这两个10量子位原型的先进性是不明智的。

同时，我们不能轻视这两个量子计算原型。毕竟，如果你不积累台阶，你就不能到达数千英里，你就不能积累小河流，你就不能成为河流和海洋。只要不断取得技术突破，巩固技术储备，就有可能制造出计算能力超过“神威太湖之光”的量子计算机。

值得注意的是，与两个量子计算原型实现的10个量子位相比，中国科研团队的量子运算水平非常高——这种特殊的量子计算机器的一次运算就相当于一次超高难度的物理实验。制造和使用这种用于量子计算的特殊机器的能力需要非常高的操作水平。

因此，中国发表了两个包含10个量子比特的原型，反映出中国科研团队在量子操作水平上一直处于领先地位。此外，潘建伟的研究团队还计划在2017年底前实现约20个光学量子位的运行。

结论如前所述，建立一个性能优于传统经典计算机的标准量子计算机仍然是困难的。中国科学院院长白春礼院士透露，中国正在开发的第一台量子计算机将采用什么方案还没有公开。但有迹象表明，前进的道路已经找到。我们也期待性能超过经典电子计算机的标准量子计算机尽快问世。

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来源：搜狐微门户