昨天，中科院召開發(fā)布會正式宣布：“世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機在中國誕生”。

這件事當然要點贊，不過也要有正確的姿勢。

幾個要點

有人在激動之余，把這件事理解為“世界第一臺量子計算機誕生”，這顯然就不對了。也沒有正確理解中科大潘建偉、陸朝陽、朱曉波和浙大王浩華等教授，經(jīng)過長期攻關(guān)獲得的這一成果。

中國這臺量子計算機性能如何？通過公開信息可見：

■ 目前只有一個單光子的量子模擬機，并且證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。

■ 這個科研用的模擬機，性能比人類第一臺電子管計算機（1946年誕生）和第一臺晶體管計算機（1954年誕生）快10-100倍。

實際上，這件事的突破之處體現(xiàn)在以下三個方面：

1、 高效率多光子玻色采樣

在玻色采樣這個問題上，量子算法有著指數(shù)級的優(yōu)勢。潘建偉團隊制造出一臺專門計算玻色采樣的光量子計算機，在計算三光子、四光子、五光子玻色采樣問題時，計算速度比國外同行和早期計算機要快。

相關(guān)論文：

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html

2、超導(dǎo)電路中實現(xiàn)10比特糾纏和并行邏輯運算

就目前已經(jīng)公開的情況看，是超導(dǎo)量子系統(tǒng)中最多的比特糾纏數(shù)，這在全世界也是處于領(lǐng)先的水平。

相關(guān)論文：

https://arxiv.org/pdf/1703.10302.pdf

3、使用超導(dǎo)量子處理器求解線性方程組

在四個超導(dǎo)量子比特上，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。

相關(guān)論文：

https://arxiv.org/pdf/1703.06613.pdf

先說到這里，懂的自然懂，不懂的應(yīng)該還是不懂……有專業(yè)人士給了量子位一個簡單的總結(jié)：是個很棒的成果，但仍然需要冷靜看待。

基本原理和現(xiàn)狀概況

昨天不少讀者在后臺留言，希望解釋一下量子計算機。那么，接下來量子位就強行講講量子計算機。

目前量子計算機有很多實現(xiàn)的方法，上面潘建偉團隊使用的就是超導(dǎo)+多光子的方法。除此以外，還有半導(dǎo)體量子芯片和離子阱等等路徑。

為了制造量子計算機，谷歌、IBM想出的辦法是用超導(dǎo)回路，深耕半導(dǎo)體行業(yè)幾十年的英特爾希望用傳統(tǒng)的硅晶體管，而一家名為ionQ的公司則是使用離子。

核心原理無非一個：進入量子力學(xué)奇怪和反直覺的世界（包括疊加態(tài)以及糾纏、隧穿），加快計算速度。

與傳統(tǒng)計算機使用0或者1的比特來存儲信息不同，量子計算機使用量子比特來存儲信息。量子比特存儲的信息可能是0、可能是1，或者有可能既是0也是1。

量子力學(xué)認為，微觀物體可以處于一種“似是而非”的狀態(tài)，即一個原子可以同時處于兩種狀態(tài)。

1個量子比特可以存儲2種狀態(tài)的信息，也就是0和1；2個量子比特就可以存儲4種狀態(tài)的信息，3個8種，4個16種。

量子計算機的性能隨著“量子比特”的增加呈指數(shù)增長，而傳統(tǒng)計算機按“比特位”呈線性增長?？傆心敲匆粋€臨界點，量子計算機的性能就會超過傳統(tǒng)計算機。

雖然量子計算機看似美好，但目前還有許多挑戰(zhàn)，最大的問題在于這些計算機的精度相比傳統(tǒng)計算機實在是低太多了。一些微小的擾動，都可能帶來極大的破壞。

不久前，在IBM在和ionQ公司的一次量子計算機大比拼中，兩家開發(fā)的計算機分別只有35%和77%的運算正確率。

這還只是5個量子比特的情況，如果是有成千上萬個量子比特，那量子計算機恐怕根本不可能得到正確的結(jié)果。

而且5個量子比特的計算機現(xiàn)階段遠遠落后于我們手中的筆記本電腦。

長什么樣？舉個栗子

說一千道一萬，量子計算機到底社么樣？我們來舉一個真實的“栗子”：D-Wave。這家加拿大公司是量子計算機界一個充滿爭議的明星。

D-Wave開發(fā)出了世界上第一臺商用量子計算機。年初，他們推出可以處理2000量子比特的第四代產(chǎn)品：2000Q，售價超過1億元人民幣。

設(shè)備環(huán)境

D-Wave 2000Q系統(tǒng)的外殼長寬高大約是3×2×3（米），其包含的硬件包括了復(fù)雜的低溫制冷系統(tǒng)、防護罩、I/O系統(tǒng)，只為了支持一個指甲蓋大小的QPU。制冷系統(tǒng)占據(jù)了D-Wave 2000Q的大部分物理體積。

量子效應(yīng)的發(fā)生條件是非常嚴格的。

量子處理器（QPU）需要在絕對零度（-273.15℃）附近的溫度才能運行——屏蔽磁場、隔離震動和外部因素的干擾都需要絕對零度的低溫環(huán)境。

還要將量子計算機放到比地球磁場弱50000倍（基本相當于沒有磁場）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當于真空）的環(huán)境中，以保持量子狀態(tài)的穩(wěn)定。

這些都是通過閉式循環(huán)冰箱實現(xiàn)的，它實現(xiàn)了0.015K（-273.135℃）的低溫環(huán)境。D-Wave的“干燥”稀釋制冷機使用了液氦制冷劑。

溫度由頂端的室溫逐層遞減，直到QPU部分接近絕對零度。（50K：-223.15℃，4K：-269.15℃，1K：-272.15℃，100mK：-273.05℃，15mK：-273.135℃，絕對零度：-273.15℃）

關(guān)于QPU

D-Wave的QPU由容納著若干鈮制微型環(huán)的晶格組成，每個晶格是一個量子比特。在低于9.2K的溫度下，鈮會成為超導(dǎo)體并顯露量子力學(xué)效應(yīng)。

在量子態(tài)下，電流會同時向兩個方向流動，這代表量子比特正處于疊加狀態(tài)，即同時處于“0”和“1”兩個狀態(tài)。在問題解決過程的最末端，這種量子疊加態(tài)會坍縮回“0”或“1”兩種狀態(tài)的其中一種。

實現(xiàn)由單個量子比特到多個量子比特組成的QPU的進步，需要量子比特間的互連以進行信息交換。量子比特之間通過耦合器相連，后者同樣是超導(dǎo)體環(huán)。量子比特和耦合器之間的互連，和管控磁場的控制電路共同創(chuàng)造了一個可編程的量子元件的集成結(jié)構(gòu)。

當QPU得到問題的解決方案時，所有的量子比特會在它們的最終狀態(tài)下穩(wěn)定下來，而它們承載的數(shù)值將會以比特串的形式反饋給使用者。

D-Wave 2000Q系統(tǒng)最多能裝下2048個量子比特和5600個耦合器。為了實現(xiàn)這個規(guī)模，其使用了128000個約瑟夫遜結(jié)，這也讓D-Wave 2000Q的QPU在當時成為了有史以來最為復(fù)雜的超導(dǎo)集成電路。

D-Wave的系統(tǒng)耗能低于25千瓦，其中大部分用于制冷及操控前端服務(wù)器。水冷系統(tǒng)的需求和一個廚房龍頭所能提供的水量相當，其所需的空調(diào)水平是同等規(guī)模系統(tǒng)的十分之一。

如今百萬億億次級的超算的耗能大概等同于胡佛水壩所制造的。

退火算法

與經(jīng)典的計算方法截然不同，D-Wave的量子計算機，運用量子退火算法來解決問題，即利用真實世界中量子系統(tǒng)的天然傾向來尋找低功耗的狀態(tài)。

如果用一個高低不等的地形圖來代表最優(yōu)解問題，地形圖上的每一個坐標代表一種可能的解決方案，而每一點的海拔代表它的功耗，那么最佳解決方案就在山谷最深處最低的那一點上。

計算過程通過將量子處理器（QPU）初始化至某一已知問題的基態(tài)，同時讓系統(tǒng)朝著待解決問題進行退火而完成，這也讓其在計算過程中能夠自始至終保持低功耗的狀態(tài)。(廣域?qū)ふ易畹忘c)

計算結(jié)束后，每個量子比特都以“0”或“1”的狀態(tài)呈現(xiàn)，最終的狀態(tài)就會是待解決問題的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。

如何編程

D-Wave 2000Q系統(tǒng)提供了一個標準的網(wǎng)絡(luò)API（基于RESTful服務(wù)），其客戶端庫向C/C++、Python、MATLAB語言開放。

操作接口允許用戶將系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)上的云資源來接入，同時用戶也可以選擇將其整合進自己的高性能計算環(huán)境及數(shù)據(jù)中心中。

為了對系統(tǒng)進行編程，用戶得把要解決的問題，映射成在“廣域?qū)ふ易畹忘c”的模型。用戶可以以多種不同的方式向系統(tǒng)提交問題。最終，問題將表現(xiàn)為一組數(shù)值，這組數(shù)值將與量子比特的權(quán)重和耦合器的強度相當。

系統(tǒng)會將這些數(shù)值和其他用戶指定的參數(shù)囊括在內(nèi)，并向QPU發(fā)送一道QMI指令。問題的解決方案將會是量子比特所找到的最優(yōu)配置，即“功耗地形圖”上的最低點。這些數(shù)值將被返回給網(wǎng)絡(luò)上的用戶程序。

量子計算機是概率性的而非確定性的，因此返回給用戶的可能是多組數(shù)值，它不僅能提供系統(tǒng)尋找到的最佳解決方案，同時也提供其他可供選擇的優(yōu)秀替代方案。用戶可以指定系統(tǒng)向自己發(fā)送解決方案的數(shù)量。

D-Wave系統(tǒng)旨在用于對古典計算機進行補充。有很多量子計算機可以協(xié)助高性能計算系統(tǒng)(HPC)的例子。另外，量子計算機非常合適離散優(yōu)化，而HPC在大規(guī)模數(shù)值模擬中表現(xiàn)更好。

能力及應(yīng)用

D-Wave的旗艦產(chǎn)品，是有2000量子比特的D-Wave 2000Q量子計算機，這是世界上最先進的量子計算機之一。這臺計算機基于一個新型超導(dǎo)處理器，使用量子力學(xué)來大規(guī)模加速計算。

D-Wave 2000Q最適合解決許多領(lǐng)域中的復(fù)雜問題，例如：

· 優(yōu)化

· 機器學(xué)習(xí)

· 抽樣/蒙特卡洛

· 模式識別和異常檢測

· 網(wǎng)絡(luò)安全

· 圖像分析

· 財務(wù)分析

· 軟件/硬件檢驗和確認

· 生物信息學(xué)/癌癥研究

D-Wave的首名客戶是國防工業(yè)承包商洛克希德馬丁。這是一家美國航空航天制造廠商，并以開發(fā)、制造軍用飛機聞名。Lockheed Martin購入了D-Wave的量子運算系統(tǒng)。

2013年，谷歌、NASA（美國航空航天局）和USRA(高?？臻g研究協(xié)會)共同創(chuàng)建了量子人工智能實驗室，并在NASA的Ames研究中心安裝了D-Wave的量子計算機?？茖W(xué)家正在試圖探索量子計算的潛力以及在復(fù)雜問題處理上的適用范圍，如網(wǎng)頁搜索、語音識別、規(guī)劃和調(diào)度、空中交通管制、對其他行星的機器人任務(wù)的支持和控制。

2015年，谷歌通過對硬件優(yōu)化的基礎(chǔ)測試得到了結(jié)果。在D-Wave系統(tǒng)上運行任務(wù)顯示，“對于涉及近1000個二進制變量的計算中，可以看出量子計算機的性能完全優(yōu)于傳統(tǒng)計算機。比傳統(tǒng)的單核模擬計算機快了108倍”。

2016年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）申請到了用D-Wave系統(tǒng)研究量子退火技術(shù)的應(yīng)用能力。目前科學(xué)家在不同的程序集上已經(jīng)取得了進展。

好啦，量子計算仍然是一個非常前沿的領(lǐng)域，還沒有真正實現(xiàn)通用量子計算的程度。所謂的量子霸權(quán)，只不過是希望量子計算機有朝一日，能夠從性能上超過傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機。

一切都在快速發(fā)展，今天量子位就強行解釋到這。