“中国造”的光量子电脑到底有何突破

中国科学院于2017年5月3日宣布成功构建出光量子电脑原型，世界上第一台超越早期传统电脑ENIAC设计思维的光量子电脑就此诞生。这台光量子电脑由中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学教授王浩华的研究组等共同研发，将为实现超越传统计算能力的量子计算奠定坚实基础。

一时间，“中国首个量子电脑诞生”的消息越演越烈，各种重磅评论出笼，令人眼花撩乱。而在量子计算研究濒临爆发式发展的关键时刻，我们也该思考，这台“中国造”的光量子电脑到底有何突破？量子电脑何时将取代我们现有的电脑？

何谓量子电脑？

在我们目前所用的电脑里，资讯正以二进位制的形式储存，每个比特（bit）代表0或1，而量子电脑则是由一些缠结的量子比特组成，利用量子状态来描述资讯，这些量子比特在同一时间既是1也是0，状态彼此相连。利用量子叠加状态带来平行性，量子电脑可以同时分析所有可能性，以期实现计算能力的飞跃。

听起来费解？那我们再追溯回量子力学中，量子叠加与量子缠结这两个重要概念。根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相关叠加态，那麽由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理呢？为此，奥地利物理学家薛丁格（Schrodinger）在1935年提出了广为人知的“薛丁格的猫（Schrodinger‘s Cat）”原理。

薛定谔的猫（Schrödingers Katze）：这只被困在盒子里面的薛定谔的猫，几十年来也把量子物理学家们困在了思维的盒子里面

“薛丁格的猫”假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里，如果镭发生衰变，则触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫将死去；如果镭不发生衰变，猫便存活。根据量子力学理论，镭的衰变存在机率，放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死和活的叠加状态，此所谓“薛丁格的猫”。

既死又活的猫，在现实世界是荒谬的。但随着量子力学的发展，科学家已经成功使多粒子构成的系统达到这种难以理解的量子“薛丁格的猫”状态。1982年，物理学家费曼（Richard Feynman）在利用电脑进行量子系统模拟时发现，用来描述表示可能状态的波函数的希尔伯特空间（Hilbert space）实在太过庞大，当时的电脑所提供的储存和运算能力根本无法满足模拟需要，他想到，若采用量子系统构成电脑，则能适切模拟量子现象。由此，科学家们开始建立量子资讯论，并将其视为能够引起传统计算模式和现代电脑科学大变革的关键。

量子缠结（quantum entanglement）则是同属量子力学的另一个基本概念，它描述了两个粒子互相缠结，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态，当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化这也被爱因斯坦称为“远距离闹鬼”。多粒子缠结则是量子资讯处理基本能力的核心指标，电脑操纵的缠结光子数目越多，量子资讯处理能力就会指数级增长。

换句话说，2个量子态（也可以称作“2个量子比特”）的量子电脑，每一步可做到2的2次方，也就是4次运算，N个比特的量子电脑，每一步则可以对资讯做2的N次方计算。潘建伟表示，随着N不断地变大，量子电脑的计算能力也将呈现指数级的增长，一些传统电脑无法解决的大规模计算难题将迎刃而解，比如大数的质因数分解为例，传统电脑分解 300位的大数需要 15 万年，量子电脑分解这个大数则仅需要1秒钟。量子电脑速度有多快，取决于N的指数级增加。

若干难题犹待克服

此次中国科学院发布的光电子电脑原型，在国际上率先实现了十光子缠结，比起传统运算法，比人类历史上第一台真空管电脑ENIAC和第一台电晶体电脑TRADIC运行速度快了10倍到100倍，而与国际同行的实验相比，速度又加快了至少24,000倍。可以说，中国大陆在量子电脑方面已取得突破性进展，也再一次证明了在该领域的国际领先地位。

不过值得注意的是，陆朝阳表示：这是第一台超越早期传统电脑ENIAC的基于单光子的量子模拟机。也就是说这台量子电脑原型还不是通用机。据了解，其功能目前仅能够做玻色取样和线性方程式求解，其速度超越的也是早期传统电脑ENIAC，而非我们当下使用的一般传统电脑，遑论智慧手机！

事实上，按照量子计算的原理，中国首台量子电脑当属“货真价实”，在可控操纵量子叠加态实现了资讯的存储和读取，但在新架构的演算法基础上，后续如何实现更多的量子操作以及软体系统的支持，都还有待突破。正如潘建伟所言，量子计算基础研究领域有几个大家共同努力的指标性里程碑：第一，展示超越首台电脑的计算能力；第二，展示超越商用CPU的计算能力；第三，展示超越超级电脑的计算能力。目前中国科学院实现的只是其中的第一步，但也是最重要的一步。

据了解，量子电脑的速度每突破一点，面临的都将是巨大挑战。首先是量子相关性受影响，叠加态使得量子电脑得以平行处理大量数据，但外界干扰会破坏相关性，与此同时人们还需要控制量子比特进行运算，系统温度便是首当其冲的破坏因素。其次，在添加量子比特的过程中，每个新添加的量子比特都需要与其他量子比特一起进入叠加状态，这样的粒子是相互缠结、相互影响的，量子比特越多，整体量子态就越弱，扩大量子电脑的规模很快变得极具挑战。

最后还要考虑纠错，传统电脑的错误控制能力较强，即使在元件有瑕疵的情况下也能得出稳健的结果，要让量子电脑达到相同的容错率水平，则需要全新的方法，典型的做法是添加辅助量子比特（工作量子比特可能环绕有8个纠错量子比特），但这又使得扩大量子电脑的规模更加困难。

可以说，中国目前与欧美等国家近年在同一领域中的尝试一样，尚未具备商业化开发使用的前提条件，潘建伟表示，由于高精度量子操控技术的极端复杂性，目前量子计算研究仍处在早期发展阶段。尽管如此，研究团队正致力于20个光量子比特的操纵，将于2017年年底发布量子云端计算平台，为实现第二步目标作准备。至于第三步超越超级电脑的运算能力，则需要达到操纵45-50个量子比特，届时，科学界所预言的“量子霸权”将成为现实。

量子计算大事记

1982年，诺贝尔奖得主费曼提出“量子电脑”概念。

1994年，贝尔实验室专家彼得?秀尔（Peter Shor）证明量子电脑能够完成对数运算，且速度远胜普通电脑。

1997年，科学家首次用一对缠结光子完成了量子资讯传输。

2005年，世界第一台量子电脑原型机在美国诞生，基本符合了量子力学的全部本质特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子电脑，但并无计算能力。

2010年1月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子电脑准确算出了氢分子所含的能量。

2010年3月，德国尤利希研究中心（Julich Research Centre）发表公报表示，该中心的超级电脑JUGENE成功模拟了42位的量子电脑。

2010年，中国科学技术大学-清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输，传输距离达16公里。

2012年3月，IBM做到了在减少基本运算误差的同时，保持量子比特的量子机械特性完整性。

2015年7月，中国科学院与阿里巴巴集团旗下阿里云共同成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”，开展在量子资讯科学领域的前瞻性研究。

2016年8月，中国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功升空。

2017年3月，马云宣布启动阿里巴巴的“NASA计划”，并说“现在所研究的目标是为了解决10年、20年后的困难。”

传统电脑何时淘汰？

业界普遍认知中，“量子霸权”一词出自美国加州理工学院物理学家普瑞斯基尔（John Preskill），他为量子电脑设定了这样一个标准：当下顶级超级电脑能够实现5到20个量子比特的量子电脑所做的事情，而一旦达到49个左右量子比特，量子电脑的能力就会令超级电脑难以望其项背。2015年以来全球量子电脑的竞争就已进入白热化，随着技术不断突破，“量子霸权”无疑将备受瞩目。

眼下Google、IBM、微软、Intel和中国科学院都是量子电脑领域的主要玩家，不过业界认为Intel专注矽量子点技术，微软则选择拓朴量子计算，这两者比较冷门，因此欧美市场的主要竞争主要在Google和IBM之间。

Google一直在寻求突破传统计算极限，同时也认为量子计算领域即将走到历史性的里程碑，小型的量子电脑会在五年内逐渐兴起。这些早期量子计算可用于量子模拟，量子辅助优化和量子采样，该技术将让材料、金融、保健等行业受益匪浅。以材料学应用为例，透过量子计算设计模型，研究人员可以从数百万候选材料中选出更强的飞机聚合物材料、更高效的太阳能电池材料，以及更好的药品、更透气的纺纤质料。

IBM也已在量子计算领域探索了十多年，并在今年3月份宣布推出全球第一个商业化量子计算云端服务“IBM Q”，也是全球第一个收费的量子计算云端服务系统。IBM希望通过IBM Q将量子系统的使用领域和功能延伸到科学和商业领域，未来新系统可以为全球的研究人员服务，处理传统电脑无法解决的复杂计算，成为未来培育量子计算市场的关键。未来几年内，IBM计划构建拥有约50个量子位的IBM Q系统。

同时，中国潘建伟团队则计划5年之后实现50个量子比特的相关操纵，其计算潜力将超越超级电脑“太湖之光”，并将在大约15年后，构建天地一体、具备量子通信安全保障的未来互联网，即量子互联网，使量子计算在公共安全、交通运输、气象监测等各个领域，大大改变我们的生活。比如在公共安全领域，量子计算可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片，即时辨别出一个人的身份，在公共交通领域，量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判，从而调度综合交通系统，最大限度地疏通道路壅堵。

综上来看，量子电脑目前还不能取代传统电脑，在人们生活中各方面发挥效应，它倾向于在执行对现有电脑来说更为复杂的任务上，比如模拟蛋白质折叠、在巨大的数据库中展开搜索，或是对大数进行质因数分解，大数质因数分解的难度极高，也因而成为网路机密技术的基础，最尖端的传统电脑要花数千年才能求出的质因数，一台量子电脑用Shor算法，几星期即可破解。潘建伟也提到，量子电脑何时能像传统电脑般，普及地提供各种通用功能，目前整个科学界都还不敢遽下断言。