量子計(jì)算機(jī)走出“象牙塔” 中國(guó)已經(jīng)落后

　　9月以來(lái)，多家媒體援引外媒New Scientist的報(bào)道，稱谷歌正在加緊其量子計(jì)算機(jī)研發(fā)步伐，報(bào)道中不乏“量子計(jì)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(jì)劃要成為該領(lǐng)域的霸主”“最快明年年底之前就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)”這樣的措辭。一時(shí)間，量子計(jì)算機(jī)這一跨時(shí)代的“黑科技裝備”似乎已款步而來(lái)。

　　然而，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者經(jīng)多方訪問(wèn)了解到，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)門檻之高、難度之大，雖舉國(guó)體制亦不敢妄言“幾年內(nèi)便可成為現(xiàn)實(shí)”。就連谷歌高薪聘請(qǐng)的來(lái)自加州大學(xué)圣巴拉拉分校的知名物理學(xué)家約翰·馬提尼斯（John Martinis）本人也曾表示：“嘗試制造一臺(tái)實(shí)際意義上的量子計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)直是物理學(xué)上的一個(gè)噩夢(mèng)”。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)一些中文媒體報(bào)道的分析，記者發(fā)現(xiàn)，谷歌“幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃目標(biāo)”多為第三方的樂(lè)觀預(yù)估和解讀，而“谷歌欲成為量子計(jì)算領(lǐng)域霸主”，則多為媒體未經(jīng)核實(shí)谷歌工程師發(fā)表的關(guān)于量子計(jì)算計(jì)劃論文、轉(zhuǎn)而對(duì)外媒報(bào)道的曲解和誤讀。

　　被誤讀的“量子霸權(quán)”

　　翻看New Scientist的報(bào)道可以看出，將谷歌量子計(jì)算機(jī)計(jì)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(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)劃，這從其早早設(shè)立“量子人工智能實(shí)驗(yàn)室”這一部門即可看出。但是，谷歌量子計(jì)算機(jī)并沒(méi)有“量子霸權(quán)”這樣一個(gè)名字。

　　New Scientist對(duì)谷歌量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃報(bào)道的標(biāo)題是“Google’s plan for quantum computer supremacy”，supremacy在詞典上有“霸權(quán)”“至高無(wú)上”“優(yōu)越”之意，但將quantum computer supremacy編譯為“量子霸權(quán)”顯然有賺取眼球之嫌。況且在該標(biāo)題中，supremacy首字母為小寫，并不能將其認(rèn)為是谷歌為量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃擬定的項(xiàng)目名稱。

　　一位接近谷歌的匿名人士告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，在谷歌的語(yǔ)境里，quantum supremacy指的僅僅是，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)能比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更好地解決一個(gè)計(jì)算問(wèn)題，就說(shuō)明這臺(tái)量子機(jī)具有“quantum supremacy”。在這個(gè)語(yǔ)境下，該詞組最好翻譯成“量子機(jī)優(yōu)越性”。

　　也就是說(shuō)，谷歌近期的目標(biāo)其實(shí)很實(shí)際，只要證明一臺(tái)基于量子理論的機(jī)器能解決一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能更好地解決的事，就能說(shuō)明量子計(jì)算機(jī)相對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的確具有“優(yōu)越性”。

　　記者查閱材料得知，谷歌在為其量子機(jī)選取的數(shù)學(xué)問(wèn)題上認(rèn)為，只要其量子機(jī)能模擬50個(gè)量子比特構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就算打敗“最多只能模擬42個(gè)量子比特構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)”的超級(jí)計(jì)算機(jī)Edison。谷歌認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)是一次證據(jù)確鑿的“quantum supremacy”。

　　此外，谷歌也并沒(méi)有宣稱明年底或者具體何年何月就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。上述報(bào)道中也是引用一些業(yè)內(nèi)人士的觀點(diǎn)，認(rèn)為谷歌“最早明年底就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)”，“5年的時(shí)間里都實(shí)現(xiàn)不了這個(gè)目標(biāo)會(huì)顯得不可思議”。而谷歌自己的計(jì)劃是大約10年的時(shí)間，至少要在谷歌自己的服務(wù)中用上量子機(jī)器學(xué)習(xí)。

　　量子計(jì)算機(jī)已走出“象牙塔”

　　中國(guó)科學(xué)院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，盡管谷歌未明確說(shuō)明其計(jì)劃完成的50個(gè)量子比特芯片的目標(biāo)中量子比特?cái)?shù)是“物理比特”還是“邏輯比特”，僅就量子計(jì)算機(jī)這一前沿性科學(xué)領(lǐng)域由作為企業(yè)的谷歌引領(lǐng)這一點(diǎn)而言，足以說(shuō)明量子計(jì)算機(jī)已非昔日科研機(jī)構(gòu)“象牙塔”里的探索性科學(xué)課題，而是已經(jīng)歷史性地“邁出了實(shí)用化的步伐”。

　　那么，谷歌的量子計(jì)算機(jī)的這一步到底邁出了多遠(yuǎn)呢？

　　郭光燦解釋說(shuō)，量子比特存在物理比特和邏輯比特兩個(gè)概念。物理比特并不穩(wěn)定，即便現(xiàn)在可以做到50個(gè)物理比特的量子芯片，但因其不穩(wěn)定，量子相干持續(xù)時(shí)間太短，無(wú)法以量子態(tài)完成計(jì)算，因此不能稱之為量子計(jì)算機(jī)；而要經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)碼或編碼對(duì)量子態(tài)進(jìn)行“維持”，就需要多位物理比特才能生成一個(gè)邏輯比特，由多個(gè)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(cuò)特性，做成的量子計(jì)算機(jī)才稱得上真正的量子計(jì)算機(jī)。

　　因此，谷歌計(jì)劃完成的50個(gè)量子比特的目標(biāo)，如果是邏輯比特，就量子位的數(shù)量而言，確實(shí)是足以稱之為真正意義上的量子計(jì)算機(jī)；但如果是物理比特，50個(gè)物理比特距離超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)依舊有相當(dāng)大的差距。

　　而這正是制造量子計(jì)算機(jī)的難點(diǎn)。谷歌在其發(fā)表的論文中的確也提到了“without error correction”這點(diǎn)，如果不需要糾錯(cuò)的機(jī)器能夠解決一些實(shí)際問(wèn)題，無(wú)疑會(huì)讓實(shí)現(xiàn)quantum supremacy這個(gè)目標(biāo)離我們更近。

　　郭光燦告訴記者，一般認(rèn)為，量子計(jì)算要產(chǎn)生相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算足夠多的優(yōu)勢(shì)，有效的邏輯比特的數(shù)目必須要大于30個(gè)才行，而要完全通用量子計(jì)算，要幾十、上百個(gè)可實(shí)現(xiàn)任意量子邏輯操作的量子邏輯比特。

　　計(jì)算技術(shù)的下一個(gè)里程碑

　　如果研制出真正的通用量子計(jì)算機(jī)，那么它的誕生的確對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)有壓倒性優(yōu)勢(shì)。特別是在超并行計(jì)算能力方面，量子計(jì)算機(jī)大幅優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。例如，求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要上千年的時(shí)間來(lái)完成，而量子計(jì)算機(jī)理論上可以在幾小時(shí)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(jì)算具有突出優(yōu)勢(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　“如果把經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)比作常規(guī)導(dǎo)彈，量子計(jì)算機(jī)就好比核彈頭?！惫鉅N用這個(gè)形象的比喻說(shuō)明了二者的區(qū)別，“當(dāng)然，就像我們平時(shí)不可能隨便動(dòng)用核彈，常規(guī)計(jì)算機(jī)也不會(huì)因量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而被淘汰，但量子計(jì)算機(jī)就是這樣，它的出現(xiàn)將在計(jì)算能力上碾壓經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！?/p>

　　不過(guò)，不少物理學(xué)家都認(rèn)為，通用量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化或許是太過(guò)困難的事，但能實(shí)用化特定目的的（尤其機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)）量子計(jì)算機(jī)就已經(jīng)有巨大的學(xué)術(shù)價(jià)值和工業(yè)價(jià)值了。

　　對(duì)量子計(jì)算充滿興趣的麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯科特·阿隆森（Scott Aaronson）就持此看法，他就谷歌量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃發(fā)表了自己的公開評(píng)論。

　　“在量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)對(duì)決的一些人所謂的谷歌‘量子霸權(quán)’計(jì)劃最是讓我興奮不已。這是一個(gè)清晰的目標(biāo)：用量子計(jì)算硬件去達(dá)成對(duì)某些定義好的數(shù)學(xué)任務(wù)的加速——相對(duì)于經(jīng)典算法而言。盡管目前的‘量子計(jì)算機(jī)’是特制的、非可擴(kuò)展性硬件的專門機(jī)器，但這仍將是科學(xué)上一個(gè)重要的里程碑。它反駁了那些認(rèn)為量子計(jì)算不能夠?qū)嵱玫娜?，并且將給未來(lái)硬件升級(jí)能夠解決更多實(shí)用問(wèn)題以舞臺(tái)?！?/p>

　　斯科特·阿隆森還很樂(lè)觀地預(yù)計(jì)，“‘quantum supremacy’計(jì)劃將在5~10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且我認(rèn)為硬件工程師們應(yīng)該將焦點(diǎn)聚集在此：相對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的‘糾纏’問(wèn)題，為何不先去實(shí)現(xiàn)這一里程碑，然后再去擔(dān)心如何實(shí)際應(yīng)用？”

　　中國(guó)已經(jīng)落后

　　記者了解到，谷歌并不是世界上唯一進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)探索的機(jī)構(gòu)。相反，這一領(lǐng)域其實(shí)已經(jīng)成為下一個(gè)“軍備競(jìng)賽高地”。除美國(guó)谷歌、IBM、耶魯大學(xué)等機(jī)構(gòu)開展了相應(yīng)的量子計(jì)算研制項(xiàng)目之外，日本、澳大利亞等國(guó)家也另辟蹊徑，潛心開展了量子計(jì)算芯片等的研制項(xiàng)目。

　　“上世紀(jì)70年代費(fèi)曼最早提出‘量子計(jì)算機(jī)’的概念，但直到上世紀(jì)90年代左右國(guó)際量子學(xué)界才開始轉(zhuǎn)向量子計(jì)算機(jī)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(guó)在量子計(jì)算機(jī)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(shí)間?！?/p>

　　記者了解到，在國(guó)內(nèi)通過(guò)不同方法開展量子芯片研究的有中國(guó)科技大學(xué)、南京大學(xué)和中科院物理所等單位，分別采用了半導(dǎo)體量子點(diǎn)芯片、超導(dǎo)量子芯片的方案；尚未見有企業(yè)投入研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展此類研究。

　　需要指出的是，量子計(jì)算機(jī)的戰(zhàn)略意義巨大。一旦通用型量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)突破，首先可以知道，所有銀行里、政府機(jī)關(guān)，甚至是軍隊(duì)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(duì)世界格局的影響。

　　中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子芯片研究方向帶頭人郭國(guó)平告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，相比量子通訊和量子密碼而言，量子計(jì)算機(jī)門檻更高，難度更大，產(chǎn)出成果的周期更長(zhǎng)，是“難啃的硬骨頭”。正因如此，國(guó)內(nèi)鮮有甘坐冷板凳者從事相關(guān)的研發(fā)。

　　“量子計(jì)算是長(zhǎng)周期的課題，研究了可能會(huì)后悔，但如果不去研究，可能會(huì)更后悔?！惫鶉?guó)平說(shuō)，我們國(guó)家應(yīng)該倡導(dǎo)更多人愿意“啃硬骨頭”，厚積薄發(fā)，只有這樣，才能將量子計(jì)算各階段的核心技術(shù)掌握在自己手里。

　　“就好比我國(guó)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(wèn)題就出在我們沒(méi)有掌握關(guān)鍵技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)也是這樣。”郭國(guó)平說(shuō)，“我們不能錯(cuò)過(guò)發(fā)展機(jī)遇，核心技術(shù)是買不來(lái)的，不掌握將永遠(yuǎn)受制于人?！?/p>