如何正確看待量子計(jì)算的突破？

雷鋒網(wǎng)按：作者鐵流，微信公眾號(hào)：tieliu1988

近年來(lái)，“量子”概念被媒體抄的火熱，受到了媒體和資本的熱捧。谷歌、IBM、英特爾、阿里、中科大等公司紛紛宣布自己在量子計(jì)算方面取得的成績(jī)，若有若無(wú)的掀起來(lái)一場(chǎng)關(guān)于量子比特?cái)?shù)量的科技競(jìng)賽。

然而，這種量子比特的競(jìng)賽噱頭居多，與其說(shuō)是取得計(jì)算突破，倒更像是企業(yè)高科技光環(huán)的包裝和營(yíng)銷。目前研發(fā)出來(lái)的量子計(jì)算機(jī)，并非標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，只能做特定的應(yīng)用，只會(huì)成為電子計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充，而無(wú)法替代電子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算為何被很多人看好？

近年來(lái)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)展中已經(jīng)逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問(wèn)題，加上摩爾定律開始失效，芯片性能的增長(zhǎng)開始放緩，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能增長(zhǎng)潛力和增長(zhǎng)速度都已大不如前。在這種情形下，探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)的需求就應(yīng)運(yùn)而生。

量子計(jì)算的基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲(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)。一般選用處于糾纏狀態(tài)的量子，比如光子的兩個(gè)偏振態(tài)、電子的兩個(gè)自旋態(tài)、離子的兩個(gè)能級(jí)來(lái)構(gòu)建量子位。

想必很多人都聽說(shuō)過(guò)薛定諤的貓，而量子位就類似于那只貓的狀態(tài)。一個(gè)量子位可以同時(shí)處于0狀態(tài)和1狀態(tài)，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時(shí)，疊加的各個(gè)狀態(tài)都可以發(fā)生變化。

相對(duì)于只能表示0和1的晶體管，量子位能同時(shí)表示0和1兩個(gè)狀態(tài)，這就使量子計(jì)算機(jī)在并行計(jì)算上具有巨大優(yōu)勢(shì)——畢竟N個(gè)量子位可同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長(zhǎng)。同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)操作一次等效于電子計(jì)算機(jī)要進(jìn)行2的N次方次操作的效果，等于是一次演化相當(dāng)于完成了2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這是現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)所不具備的。

因此，量子計(jì)算在核爆模擬、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)。

為何說(shuō)現(xiàn)在的量子比特競(jìng)賽更像企業(yè)營(yíng)銷？

近年來(lái)，全球科技公司和研究機(jī)構(gòu)在量子計(jì)算機(jī)和量子比特?cái)?shù)目上發(fā)起了科技競(jìng)賽。

2015年，谷歌推出了D-Wave量子計(jì)算機(jī)，宣傳其在解決問(wèn)題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)都快出一億倍。

隨后，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)算原型機(jī)，一臺(tái)基于線性光學(xué)，達(dá)到5個(gè)量子比特。另一臺(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。

在幾個(gè)月前，美國(guó)IBM公司宣布取得重大進(jìn)展，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)。

在不久前，美國(guó)英特爾公司發(fā)布了一款代號(hào)為Tangle Lake的超導(dǎo)量子測(cè)試芯片，這款芯片具有49個(gè)量子比特。

然后，谷歌發(fā)布了具有72個(gè)量子比特的“通用量子計(jì)算機(jī)”，在量子比特?cái)?shù)目上達(dá)到全球第一。

上述量子計(jì)算方面取得的技術(shù)突破讓人看得眼花繚亂。媒體添油加醋的報(bào)道則讓大眾對(duì)量子計(jì)算摸不著頭腦。特別是媒體和一些專家一直在鼓吹50個(gè)量子比特就能實(shí)現(xiàn)量子制霸（quantum supremacy）的背景下，很多人恐怕會(huì)誤以為量子計(jì)算革命即將到來(lái)。

那么，專家說(shuō)50個(gè)量子比特就可以實(shí)現(xiàn)量子制霸，英特爾和IBM都已經(jīng)達(dá)到量子制霸的門檻了，為何還要說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)非常遙遠(yuǎn)呢？

真的要實(shí)現(xiàn)量子制霸，能夠制造出取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，必須要具備50個(gè)以上的量子比特，而且隨著電子計(jì)算機(jī)性能的穩(wěn)步提升，需要的量子比特?cái)?shù)量可能還會(huì)增加。

量子比特分為物理比特和邏輯比特。物理比特的穩(wěn)定性存在一定瑕疵，因而只能通過(guò)對(duì)數(shù)個(gè)物理比特做冗余處理，最后生成了一個(gè)邏輯比特。相對(duì)于物理比特，邏輯比特有較好的容錯(cuò)特性。

“量子稱霸”的含義就是用50個(gè)以上的物理比特，在某個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題上超越傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，這個(gè)說(shuō)法提出時(shí)可能也不是為了營(yíng)銷，而是給大家發(fā)展技術(shù)設(shè)立一個(gè)標(biāo)志性的節(jié)點(diǎn)，既彰顯成果又激勵(lì)前進(jìn)，后來(lái)這個(gè)概念就被過(guò)度解讀了。畢竟媒體也是迎合讀者，讀者不抱著科學(xué)的態(tài)度，媒體也就投其所好，吸引眼球最重要。

在很多公司的宣稱和媒體的報(bào)道中，只說(shuō)是量子比特，至于是物理比特，還是邏輯比特，全靠讀者和媒體去猜。然后一些媒體看到49、50個(gè)量子比特的數(shù)量，再一看50個(gè)量子比特就可以實(shí)現(xiàn)“量子制霸”，紛紛報(bào)道“IBM/谷歌/英特爾量子計(jì)算機(jī)秒殺中國(guó)超算”、“量子計(jì)算機(jī)顯神威，太湖之光落寞了”。

但事實(shí)上，這些量子計(jì)算機(jī)還處于非常原始的階段，不僅性能有限，而且只能用于特定應(yīng)用。

量子計(jì)算機(jī)將會(huì)成為電子計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充

就目前來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)無(wú)法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，只會(huì)成為電子計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充。

為何這么說(shuō)呢？

主要是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)不了編碼邏輯比特。

之前介紹了，如果要制造出超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，就必須至少獲得50個(gè)邏輯比特。而且50個(gè)邏輯比特并不是終點(diǎn)，而僅僅是一個(gè)新起點(diǎn)——瑞士蘇黎世皇家理工學(xué)院的物理化學(xué)家馬科斯.雷勒表示：“如果我們擁有超過(guò) 200 個(gè)邏輯比特位，我們就能在量子化學(xué)上做到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的事情，如果擁有 5000個(gè)邏輯比特位，量子計(jì)算機(jī)將為這一領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的改變。”

只不過(guò)，目前，全球沒(méi)有任何一家公司或科研機(jī)構(gòu)，能夠做出哪怕一個(gè)邏輯比特。

除了實(shí)現(xiàn)不了編碼邏輯比特之外，還有系統(tǒng)擴(kuò)展、邏輯門精度、相干消等幾個(gè)方面。正是因?yàn)榇嬖谶@些技術(shù)瓶頸，現(xiàn)在大家研發(fā)出來(lái)的量子計(jì)算機(jī)，都只稱為原型機(jī)，都只能做單一特定功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算。何況這些量子計(jì)算原型機(jī)的性能也是比較一般的，在很多商業(yè)公司的宣傳文稿中，所謂的“快出一億倍”其實(shí)是在玩田忌賽馬的游戲。

一些一線科研人員甚至懷疑能不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)。有的向鐵流用了比較委婉的說(shuō)辭：標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)也只是一些人提出來(lái)的，最后實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)未必是這種（標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)）。

換言之，就是最后的量子計(jì)算機(jī)很可能會(huì)成為專用機(jī)，不僅無(wú)法取代現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)，而只會(huì)成為電子計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充。

量子計(jì)算被過(guò)度炒作不利于行業(yè)的發(fā)展

目前，有一個(gè)很不好的現(xiàn)象，無(wú)論是谷歌、IBM、英特爾等國(guó)外公司，還是一些國(guó)內(nèi)巨頭，每當(dāng)取得一點(diǎn)成績(jī)后，就大肆鼓吹，通過(guò)文字游戲和宣傳的藝術(shù)，讓大家看的云里霧里的。這些非常藝術(shù)的文字往往會(huì)讓大眾產(chǎn)生誤解，讓普通老百姓感覺(jué)到量子計(jì)算機(jī)革命即將到來(lái)。

誠(chéng)然，商業(yè)公司對(duì)股東和利潤(rùn)負(fù)責(zé)是本分，為自己裝扮高科技光環(huán)也能夠理解。但過(guò)度的炒作未必有利于行業(yè)的發(fā)展。像谷歌建成“通用量子計(jì)算機(jī)”，以及阿里之前大肆宣傳的“太章”，都是非常不好的例子。

打個(gè)比方的話，您要在PC上玩游戲主機(jī)上的游戲，于是在PC上安裝一個(gè)游戲模擬器，“太章”好比是游戲模擬器。

但在媒體宣傳上，諸如“中國(guó)高科技股跑贏美國(guó) 阿里研制“太章”世界最強(qiáng)”等消息不絕于耳。在一些報(bào)道中還有把“太章”把IBM、谷歌、英特爾等公司研發(fā)的量子計(jì)算原型機(jī)進(jìn)行對(duì)比，這完全是驢頭不對(duì)馬嘴。何況這種模擬器并非阿里首創(chuàng)，只不過(guò)宣傳能力上遜色于阿里因而鮮有人知。

全球巨頭應(yīng)當(dāng)更加低調(diào)的一步一個(gè)腳印走，取得一丁點(diǎn)進(jìn)展就連篇累牘的炒作，仿佛量子計(jì)算革命即將到來(lái)，這種行為并不利于行業(yè)的健康成長(zhǎng)。

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