就在11月，中國的超級計算機(jī)神威太湖之光和天河二號再度蟬聯(lián)TOP500前兩名。有媒體隨即對IBM的量子計算機(jī)與神威太湖之光超算進(jìn)行比較，認(rèn)為IBM的量子計算機(jī)可以秒殺神威太湖之光。
那么，目前的量子計算機(jī)真的能和超級計算機(jī)這樣比較嗎？為什么中美等國在這兩個領(lǐng)域都在加緊投入研發(fā)？
IBM 50Q 系統(tǒng)
中美在量子計算機(jī)研發(fā)上相互追趕
近年來，中國和美國相繼在量子計算上取得突破，而且技術(shù)突破呈現(xiàn)你追我趕的態(tài)勢。
目前，量子計算有諸多的研究方向，比如低溫超導(dǎo)系統(tǒng)、量子點(diǎn)系統(tǒng)、離子阱、拓?fù)淞孔佑嬎愕取Ｔ诙鄠€方向上，中國科學(xué)家都取得了不錯的成績。
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(shí)現(xiàn)了達(dá)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，中國科技大學(xué)成功研發(fā)出半導(dǎo)體量子芯片。該量子芯片由砷化鎵材料制造，用半導(dǎo)體工藝做出模擬原子能級的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)量子比特，邏輯比特數(shù)量為3個。相比之下，國外目前還停留在四個量子點(diǎn)編碼的兩個比特水平，在該領(lǐng)域中國已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
由于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，更適合工業(yè)化生產(chǎn)，因而把低溫超導(dǎo)系統(tǒng)作為主攻方向的研究者更多一些。研究的人多了，自然技術(shù)成果也就多一些。
在2012年，R. J. Schoelkopf在超導(dǎo)線路中實(shí)現(xiàn)三比特的量子糾錯編碼。之后，美國航天航空局、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、谷歌宣布實(shí)現(xiàn)的9個超導(dǎo)量子比特的高精度操作。
在2017年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制了2臺量子計算機(jī)，一臺基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，這臺量子計算機(jī)有10個量子比特，一舉超越美國航天航空局、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、谷歌實(shí)現(xiàn)的9個超導(dǎo)量子比特紀(jì)錄。另一臺基于線性光學(xué)，達(dá)到5個量子比特。隨后，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(jī)，預(yù)計在最近幾年內(nèi)有望研制成功。
IBM這次研發(fā)出20個量子比特的量子計算機(jī)和50個量子比特的原型機(jī)，則展示出IBM在量子計算領(lǐng)域的技術(shù)積累。
IBM20和50量子比特陣列
對于IBM在量子計算方面取得的成績，專家表示：“這對國際量子計算領(lǐng)域應(yīng)該說是一個振奮的消息，IBM研發(fā)出50個量子比特的原型機(jī)說明超導(dǎo)方案還是目前看來最有希望的......其實(shí)，我們今年年中的時候就已經(jīng)了解到IBM和谷歌今年年底都要宣稱50個量子比特的事......在量子計算方面，競爭非常激烈。也多虧競爭激烈，使得國內(nèi)的相關(guān)計劃也進(jìn)展快速，至少已經(jīng)提前了2-3年......國內(nèi)潘建偉院士這邊的超導(dǎo)方案做的最快，曾經(jīng)在5月份超過谷歌之前保持的記錄。現(xiàn)在IBM領(lǐng)先了，后面估計谷歌要想辦法扳回一局，我們國內(nèi)繼續(xù)加快研發(fā)進(jìn)度......就目前看，美國取得了階段性領(lǐng)先”。
量子計算機(jī)只能解決特定領(lǐng)域問題
目前的量子計算機(jī)還存在一定的局限性。
量子比特分為物理比特和邏輯比特，對數(shù)個物理比特進(jìn)行編碼后，才能得到1個邏輯比特。由于國際上沒有一家機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)一位邏輯比特的編碼，而實(shí)現(xiàn)不了編碼就不可能實(shí)現(xiàn)通用量子計算。
因此，目前的量子計算機(jī)只能做一些特定的任務(wù)，使用分為非常狹窄。就以IBM本次研發(fā)出的20量子比特量子計算機(jī)來說，它就只能解決一些特定的問題。
其實(shí)，不僅IBM的量子計算機(jī)，中國的量子計算機(jī)同樣只能解決少數(shù)特定問題。就以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制的光量子計算機(jī)來說，這臺機(jī)器是基于線性光學(xué)，把量子點(diǎn)當(dāng)做單光子源來使用，而且可以實(shí)現(xiàn)光子糾纏操縱。
就用途來說，這臺光量子計算原型機(jī)只能用來做玻色取樣。而無法像經(jīng)典計算機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)通用計算。
基于超導(dǎo)量子處理器的線性方程解法演示
另一臺基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)的原型機(jī)其實(shí)也是專用機(jī)，只能用來做線性方程組求解。
因此，現(xiàn)階段的量子計算機(jī)還只是專用機(jī)，通用性還是非常有限的。
想要秒殺神威太湖之光還有很長的路要走
量子計算是一種基于量子效應(yīng)的新型計算方式。基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務(wù)。由于量子計算一次演化相當(dāng)于完成了2的N次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計算機(jī)相對于經(jīng)典計算機(jī)的優(yōu)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(jī)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(jī)求解同一個方程組，僅需0.01秒。
因此，量子計算機(jī)極大超越經(jīng)典計算機(jī)的超并行計算能力，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。
雖然量子計算機(jī)潛力巨大，但因?yàn)槠渚薮蟮臐摿Γ头Q“IBM量子計算機(jī)秒殺神威太湖之光”就不太妥當(dāng)了。
神威太湖之光
首先，IBM的量子計算機(jī)還有待進(jìn)一步完善，神威太湖之光卻是非常成熟的超算。量子計算機(jī)要想超越經(jīng)典計算機(jī)，必須達(dá)到50個邏輯比特水平。而IBM只是研發(fā)出了50個物理比特的原型機(jī)，何況目前這個50個物理比特的樣品也還沒有測試結(jié)果，因而IBM還有一段路要走。
其次，目前的量子計算機(jī)只能解決特定的幾個問題，通用性非常有限，明顯遜色于神威太湖之光。
要建成比經(jīng)典計算機(jī)性能更好的通用量子計算機(jī)，必須要達(dá)到50個邏輯比特，而從大家的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展來看，實(shí)現(xiàn)多物理比特的任意糾纏會隨著比特數(shù)上升，技術(shù)難度呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢。目前，國際上沒有一家機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)一位邏輯比特的編碼，就現(xiàn)今的技術(shù)水平而言，成功研發(fā)通用量子計算機(jī)還較為遙遠(yuǎn)。正是因此，目前的量子計算機(jī)都是專用機(jī)，只能用來解決特定問題。
作為對比，神威太湖之光則具有較好的通用性，可以運(yùn)行大量的應(yīng)用。而且已經(jīng)有“非線性地震模擬”、“千萬核可擴(kuò)展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬”先后榮獲戈登貝爾獎，這代表著中國在超算應(yīng)用上達(dá)到國際頂尖水平。就解決的問題數(shù)量和通用性而言，神威太湖之光明顯處于優(yōu)勢。
最后，即便建成了50個量子比特的量子計算機(jī)，也僅僅是在特定的計算問題上可以和普通超算比較了。但想要和超算中性能頂尖的神威太湖之光相比還是有一定差距。畢竟全球很多超算的性能尚不足神威太湖之光的百分之一。
即便如此，中外科學(xué)家在量子計算上取得的技術(shù)成果依然值得稱道。正如剛剛問世的火車跑得還不如馬車快，然而火車卻擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ@是馬車所不具備的。
量子計算機(jī)與經(jīng)典計算機(jī)的關(guān)系也是類似。在贊許國外科研團(tuán)隊取得技術(shù)突破的同時，我們也期待國內(nèi)科研團(tuán)隊能取得突破，再次實(shí)現(xiàn)對美國的階段性領(lǐng)先。
