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揭秘:中国量子计算原型机究竟怎么样?

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5月3日,世界第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机问世,这台量子计算机由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波,浙江大学王浩华教授研究组联合研制。其实这并不是中国第一次公开在量子计算方面取得的成绩,早在2015年,《中国科学报》就报道过:中国科学技术大学杜江峰研究组在固态自旋体系中实现了达到容错阈值的普适量子逻辑门,这一结果代表了目前固态自旋体系量子操控精度的世界最高水平,研究成果发表在11月25日的Nature Communications上。

在2016年,央视新闻报道: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研发了半导体量子芯片和量子存储。在上个月,中国科学院院长白春礼院士透露,中科院正在研制中国首台量子计算机,预计在最近几年内有望研制成功。


那么量子计算到底什么?相对于现在使用的经典计算机,又有什么优势呢?本次发布的量子模拟机性能究竟怎么样呢?

经典计算机发展遭遇瓶颈

在过去几十年中,由于计算机技术飞速发展,芯片的集成度和制造工艺突飞猛进。但随着制造工艺的进步,晶体管栅长不断变小的同时,也带来了副作用——那就是会使电子移动的距离缩短,容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动,为了解决这个问题,国外巨头开发出SOI技术和鳍式场效电晶体技术,通过在源极和漏极埋下一层强电介质膜,或者增加绝缘层的表面积来增加电容值,防止发生电子跃迁,这使得摩尔定律得以延续。

但随着制造工艺发展到7nm,如果要进一步缩短晶体硅的栅长,又会发生隧穿效应,粒子迅速穿越势垒——在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;而对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒。

打个比方,就是只如果你面前有一道10米高墙,按照经典力学,如果找不到合适的工具,你就翻不过去。但对于微观粒子来说,由微观粒子波动性,可以直接穿墙而过。正是由于隧穿效应使得摩尔定律在当下已然失效,经典计算机发展陷入瓶颈。经典计算机发展中已经逐渐遭遇功耗墙、通信墙等一系列问题,传统计算机的性能增长越来越困难。最典型的例子莫过于CPU巨头Intel,在2013年之后,Intel的CPU性能增长比较有限,因而被网友调侃是“牙膏厂”。在不久前更是取消了有20年历史的英特尔开发者论坛。这其中的原因之一就是撞上了性能天花板。

在经典计算机发展遭遇瓶颈的情况下,探索全新物理原理的高性能计算技术就成为必由之路。

量子计算的优势

量子计算机具有极大超越经典计算机的超并行计算能力。例如,如果是求一个300位数的质因数,目前的超算估计用十几万年的时间来完成,而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此,量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

中国科学院院长白春礼院士曾表示:使用亿亿次的天河二号超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01秒。

本次发布的两台量子计算原型机性能到底咋样

以目前的情况看,低温超导系统和量子点系统由于具有较好的可拓展性,公开的研究成果也比较多。

就量子点系统而言,中国暂时领先西方国家。在2016年,中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片由砷化镓材料制造,用量子点(用半导体工艺做出一个模拟原子能级的结构)实现量子比特,逻辑比特数量为3个。半导体量子芯片精度达到90%,在量子纠错码的辅助下,该量子芯片的精度也达到了满足容错计算的精度。相比之下,国外目前还停留在四个量子点编码的两个比特,在该领域中国已经达到国际领先水平。

本次发布会上公开的是两个量子计算原型机,一种基于低温超导系统,一种基于线性光学,两个量子计算原型机都有10个量子比特。超过了美国航天航空局、加州大学圣芭芭拉分校、谷歌宣布实现的9个超导量子比特的高精度操作。

那么,这两台量子计算原型机性能究竟怎么样呢?

这两台量子计算原型机虽然符合标准的量子计算概念,但都是专用机,而非通用机——超导系统那一台原型机是用来做线性方程组求解的;基于线性光学的原型机是用来做玻色取样的。

在性能上,实验测试表明,该原型机的取样速度不仅比国际同行类似的实验加快至少24000倍。同时,通过和经典算法比较,也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)运行速度快10-100倍。

换言之,就是这两台量子计算原型机只是在线性方程组求解和玻色取样任务时,与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)相比较,运行速度快10-100倍。

因此,这两台量子计算原型机是专用机,而且对比的对象也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)。从中可以看出,这两台量子计算原型机只是量子计算机发展历程中的一小步。虽然在未来也许会有与ENIAC、TRADIC类似的历史地位,但无论从性能,还是从通用性的角度上说,都不宜过度拔高这两台有10个量子比特原型机的先进性。

同时,也不能因此就贬低这两台量子计算原型机。毕竟不积跬步,无以至千里,不积小流,无以成江海。只要不断取得技术突破,夯实技术储备,就有可能制造出具有超越“神威太湖之光”计算能力的量子计算机。

需要说明的是,相对于两个量子计算原型机实现了10个量子比特的成绩,中国科研团队的量子操作水平格外出色——这种量子计算专用机运行一次,就相当于做一次超高难度的物理实验。能够制造并使用这种量子计算专用机需要非常高的操作水平。

因而中国发表两台有10个量子比特原型机,折射出在量子操作水平上,中国科研团队已经处于暂时领先地位。而且潘建伟研究团队还计划在2017年年底实现大约20个光量子比特的操作。

结语

正如之前介绍的,目前的技术成果距离真正建成性能优于传统经典计算机的标准量子计算机来说依旧有一定难度。中国科学院院长白春礼院士透露的中国正在研制的首台量子计算机到底会采用什么方案,目前还未公开。但种种迹象表明,前进的方向已经找到了。我们也期待性能能够超过经典电子计算机的标准量子计算机能够早日问世。


原文发布时间为:2017年05月06日
本文作者:思睿
本文来源:cnBeta,如需转载请联系原作者。

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