回顧剛剛過(guò)去的2017年，中國(guó)超算再次500強(qiáng)奪冠，但美國(guó)也在追趕，今年可能會(huì)公布2套性能180P的超算。同時(shí)，兩國(guó)在量子計(jì)算機(jī)的研制上，也都在取得突破，競(jìng)爭(zhēng)激烈。量子計(jì)算領(lǐng)域去年最大的新聞，莫過(guò)于11月12日，IBM宣布取得的重大進(jìn)展。IBM成功研發(fā)出20量子位的量子計(jì)算機(jī)，并成功建成并測(cè)試全球首臺(tái)50個(gè)量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)。 

就在11月，中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)神威太湖之光和天河二號(hào)再度蟬聯(lián)TOP500前兩名。有媒體隨即對(duì)IBM的量子計(jì)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(jì)算機(jī)可以秒殺神威太湖之光。

那么，目前的量子計(jì)算機(jī)真的能和超級(jí)計(jì)算機(jī)這樣比較嗎？為什么中美等國(guó)在這兩個(gè)領(lǐng)域都在加緊投入研發(fā)？

IBM 50Q 系統(tǒng)

中美在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)上相互追趕

近年來(lái)，中國(guó)和美國(guó)相繼在量子計(jì)算上取得突破，而且技術(shù)突破呈現(xiàn)你追我趕的態(tài)勢(shì)。

目前，量子計(jì)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?jì)算等。在多個(gè)方向上，中國(guó)科學(xué)家都取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

早在2015年，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》就報(bào)道過(guò)：中國(guó)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(cuò)閾值的普適量子邏輯門(mén)，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。

中國(guó)半導(dǎo)體量子芯片

在2016年，中國(guó)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(jí)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)量子比特，邏輯比特?cái)?shù)量為3個(gè)。相比之下，國(guó)外目前還停留在四個(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)比特水平，在該領(lǐng)域中國(guó)已經(jīng)達(dá)到國(guó)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(cuò)編碼。之后，美國(guó)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(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操作。

在2017年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制了2臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，一臺(tái)基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有10個(gè)量子比特，一舉超越美國(guó)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(gè)超導(dǎo)量子比特紀(jì)錄。另一臺(tái)基于線性光學(xué)，達(dá)到5個(gè)量子比特。隨后，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士透露，中科院正在研制中國(guó)首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)在最近幾年內(nèi)有望研制成功。

IBM這次研發(fā)出20個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)和50個(gè)量子比特的原型機(jī)，則展示出IBM在量子計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)積累。

IBM20和50量子比特陣列

對(duì)于IBM在量子計(jì)算方面取得的成績(jī)，專(zhuān)家表示：“這對(duì)國(guó)際量子計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)振奮的消息，IBM研發(fā)出50個(gè)量子比特的原型機(jī)說(shuō)明超導(dǎo)方案還是目前看來(lái)最有希望的......其實(shí)，我們今年年中的時(shí)候就已經(jīng)了解到IBM和谷歌今年年底都要宣稱(chēng)50個(gè)量子比特的事......在量子計(jì)算方面，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。也多虧競(jìng)爭(zhēng)激烈，使得國(guó)內(nèi)的相關(guān)計(jì)劃也進(jìn)展快速，至少已經(jīng)提前了2-3年......國(guó)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(guò)谷歌之前保持的記錄?，F(xiàn)在IBM領(lǐng)先了，后面估計(jì)谷歌要想辦法扳回一局，我們國(guó)內(nèi)繼續(xù)加快研發(fā)進(jìn)度......就目前看，美國(guó)取得了階段性領(lǐng)先”。

量子計(jì)算機(jī)只能解決特定領(lǐng)域問(wèn)題

目前的量子計(jì)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(duì)數(shù)個(gè)物理比特進(jìn)行編碼后，才能得到1個(gè)邏輯比特。由于國(guó)際上沒(méi)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(jì)算。

因此，目前的量子計(jì)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(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，它就只能解決一些特定的問(wèn)題。

其實(shí)，不僅IBM的量子計(jì)算機(jī)，中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)同樣只能解決少數(shù)特定問(wèn)題。就以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制的光量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這臺(tái)機(jī)器是基于線性光學(xué)，把量子點(diǎn)當(dāng)做單光子源來(lái)使用，而且可以實(shí)現(xiàn)光子糾纏操縱。

就用途來(lái)說(shuō)，這臺(tái)光量子計(jì)算原型機(jī)只能用來(lái)做玻色取樣。而無(wú)法像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算。

基于超導(dǎo)量子處理器的線性方程解法演示

另一臺(tái)基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)的原型機(jī)其實(shí)也是專(zhuān)用機(jī)，只能用來(lái)做線性方程組求解。

因此，現(xiàn)階段的量子計(jì)算機(jī)還只是專(zhuān)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(zhǎng)的路要走

量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式?；驹硎且粤孔游蛔鳛樾畔⒕幋a和存儲(chǔ)的基本單元，通過(guò)大量量子位的受控演化來(lái)完成計(jì)算任務(wù)。由于量子計(jì)算一次演化相當(dāng)于完成了2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士曾表示：使用億億次的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的方程組，所需時(shí)間為100年。而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

因此，量子計(jì)算機(jī)極大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超并行計(jì)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(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。

雖然量子計(jì)算機(jī)潛力巨大，但因?yàn)槠渚薮蟮臐摿Γ头Q(chēng)“IBM量子計(jì)算機(jī)秒殺神威太湖之光”就不太妥當(dāng)了。

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神威太湖之光

首先，IBM的量子計(jì)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(jì)算機(jī)要想超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，必須達(dá)到50個(gè)邏輯比特水平。而IBM只是研發(fā)出了50個(gè)物理比特的原型機(jī)，何況目前這個(gè)50個(gè)物理比特的樣品也還沒(méi)有測(cè)試結(jié)果，因而IBM還有一段路要走。

其次，目前的量子計(jì)算機(jī)只能解決特定的幾個(gè)問(wèn)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(jì)算機(jī)性能更好的通用量子計(jì)算機(jī)，必須要達(dá)到50個(gè)邏輯比特，而從大家的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展來(lái)看，實(shí)現(xiàn)多物理比特的任意糾纏會(huì)隨著比特?cái)?shù)上升，技術(shù)難度呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢(shì)。目前，國(guó)際上沒(méi)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(jì)算機(jī)還較為遙遠(yuǎn)。正是因此，目前的量子計(jì)算機(jī)都是專(zhuān)用機(jī)，只能用來(lái)解決特定問(wèn)題。

作為對(duì)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(wàn)核可擴(kuò)展全球大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”先后榮獲戈登貝爾獎(jiǎng)，這代表著中國(guó)在超算應(yīng)用上達(dá)到國(guó)際頂尖水平。就解決的問(wèn)題數(shù)量和通用性而言，神威太湖之光明顯處于優(yōu)勢(shì)。

最后，即便建成了50個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，也僅僅是在特定的計(jì)算問(wèn)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(jì)算上取得的技術(shù)成果依然值得稱(chēng)道。正如剛剛問(wèn)世的火車(chē)跑得還不如馬車(chē)快，然而火車(chē)卻擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，這是馬車(chē)所不具備的。

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的關(guān)系也是類(lèi)似。在贊許國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)取得技術(shù)突破的同時(shí)，我們也期待國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)能取得突破，再次實(shí)現(xiàn)對(duì)美國(guó)的階段性領(lǐng)先。