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如何正确看待量子计算的突破?

本文作者:铁流 2018-05-25 10:10
导语:目前研发出来的量子计算机,并非标准量子计算机,只能做特定的应用,只会成为电子计算机的补充,而无法替代电子计算机。

如何正确看待量子计算的突破?

雷锋网(公众号:雷锋网)按:作者铁流,微信公众号:tieliu1988

近年来,“量子”概念被媒体抄的火热,受到了媒体和资本的热捧。谷歌、IBM、英特尔、阿里、中科大等公司纷纷宣布自己在量子计算方面取得的成绩,若有若无的掀起来一场关于量子比特数量的科技竞赛。

然而,这种量子比特的竞赛噱头居多,与其说是取得计算突破,倒更像是企业高科技光环的包装和营销。目前研发出来的量子计算机,并非标准量子计算机,只能做特定的应用,只会成为电子计算机的补充,而无法替代电子计算机。

量子计算为何被很多人看好?

近年来,传统计算机发展中已经逐渐遭遇功耗墙、通信墙等一系列问题,加上摩尔定律开始失效,芯片性能的增长开始放缓,传统计算机的性能增长潜力和增长速度都已大不如前。在这种情形下,探索全新物理原理的高性能计算技术的需求就应运而生。

量子计算的基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元,通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。一般选用处于纠缠状态的量子,比如光子的两个偏振态、电子的两个自旋态、离子的两个能级来构建量子位。

想必很多人都听说过薛定谔的猫,而量子位就类似于那只猫的状态。一个量子位可以同时处于0状态和1状态,当量子系统的状态变化时,叠加的各个状态都可以发生变化。

相对于只能表示0和1的晶体管,量子位能同时表示0和1两个状态,这就使量子计算机在并行计算上具有巨大优势——毕竟N个量子位可同时存储2的N次方个数据,数据量随N呈指数增长。同时,量子计算机操作一次等效于电子计算机要进行2的N次方次操作的效果,等于是一次演化相当于完成了2的N次方个数据的并行处理,这是现在的电子计算机所不具备的。

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。

为何说现在的量子比特竞赛更像企业营销?

近年来,全球科技公司和研究机构在量子计算机和量子比特数目上发起了科技竞赛。

2015年,谷歌推出了D-Wave量子计算机,宣传其在解决问题时能够比其他任何计算机都快出一亿倍。

随后,中国科学技术大学等单位联合研制了2台量子计算原型机,一台基于线性光学,达到5个量子比特。另一台基于低温超导系统,这台量子计算机有10个量子比特。

在几个月前,美国IBM公司宣布取得重大进展,成功研发出20量子位的量子计算机,并成功建成并测试全球首台50个量子比特的量子计算原型机。

在不久前,美国英特尔公司发布了一款代号为Tangle Lake的超导量子测试芯片,这款芯片具有49个量子比特。

然后,谷歌发布了具有72个量子比特的“通用量子计算机”,在量子比特数目上达到全球第一。

上述量子计算方面取得的技术突破让人看得眼花缭乱。媒体添油加醋的报道则让大众对量子计算摸不着头脑。特别是媒体和一些专家一直在鼓吹50个量子比特就能实现量子制霸(quantum supremacy)的背景下,很多人恐怕会误以为量子计算革命即将到来。

那么,专家说50个量子比特就可以实现量子制霸,英特尔和IBM都已经达到量子制霸的门槛了,为何还要说标准量子计算机非常遥远呢?

真的要实现量子制霸,能够制造出取代经典计算机的量子计算机,必须要具备50个以上的量子比特,而且随着电子计算机性能的稳步提升,需要的量子比特数量可能还会增加。

量子比特分为物理比特和逻辑比特。物理比特的稳定性存在一定瑕疵,因而只能通过对数个物理比特做冗余处理,最后生成了一个逻辑比特。相对于物理比特,逻辑比特有较好的容错特性。

“量子称霸”的含义就是用50个以上的物理比特,在某个数学问题上超越传统的计算机,这个说法提出时可能也不是为了营销,而是给大家发展技术设立一个标志性的节点,既彰显成果又激励前进,后来这个概念就被过度解读了。毕竟媒体也是迎合读者,读者不抱着科学的态度,媒体也就投其所好,吸引眼球最重要。

在很多公司的宣称和媒体的报道中,只说是量子比特,至于是物理比特,还是逻辑比特,全靠读者和媒体去猜。然后一些媒体看到49、50个量子比特的数量,再一看50个量子比特就可以实现“量子制霸”,纷纷报道“IBM/谷歌/英特尔量子计算机秒杀中国超算”、“量子计算机显神威,太湖之光落寞了”。

但事实上,这些量子计算机还处于非常原始的阶段,不仅性能有限,而且只能用于特定应用。

量子计算机将会成为电子计算机的补充

就目前来看,量子计算机无法取代经典计算机,只会成为电子计算机的补充。

为何这么说呢?

主要是因为实现不了编码逻辑比特。

之前介绍了,如果要制造出超过经典计算机的标准量子计算机,就必须至少获得50个逻辑比特。而且50个逻辑比特并不是终点,而仅仅是一个新起点——瑞士苏黎世皇家理工学院的物理化学家马科斯.雷勒表示:“如果我们拥有超过 200 个逻辑比特位,我们就能在量子化学上做到传统计算机无法做到的事情,如果拥有 5000个逻辑比特位,量子计算机将为这一领域带来颠覆性的改变。”

只不过,目前,全球没有任何一家公司或科研机构,能够做出哪怕一个逻辑比特。

除了实现不了编码逻辑比特之外,还有系统扩展、逻辑门精度、相干消等几个方面。正是因为存在这些技术瓶颈,现在大家研发出来的量子计算机,都只称为原型机,都只能做单一特定功能,无法实现通用量子计算。何况这些量子计算原型机的性能也是比较一般的,在很多商业公司的宣传文稿中,所谓的“快出一亿倍”其实是在玩田忌赛马的游戏。

一些一线科研人员甚至怀疑能不能实现标准量子计算机。有的向铁流用了比较委婉的说辞:标准量子计算机也只是一些人提出来的,最后实现的量子计算机未必是这种(标准量子计算机)。

换言之,就是最后的量子计算机很可能会成为专用机,不仅无法取代现有的电子计算机,而只会成为电子计算机的补充。

量子计算被过度炒作不利于行业的发展

目前,有一个很不好的现象,无论是谷歌、IBM、英特尔等国外公司,还是一些国内巨头,每当取得一点成绩后,就大肆鼓吹,通过文字游戏和宣传的艺术,让大家看的云里雾里的。这些非常艺术的文字往往会让大众产生误解,让普通老百姓感觉到量子计算机革命即将到来。

诚然,商业公司对股东和利润负责是本分,为自己装扮高科技光环也能够理解。但过度的炒作未必有利于行业的发展。像谷歌建成“通用量子计算机”,以及阿里之前大肆宣传的“太章”,都是非常不好的例子。

打个比方的话,您要在PC上玩游戏主机上的游戏,于是在PC上安装一个游戏模拟器,“太章”好比是游戏模拟器。

但在媒体宣传上,诸如“中国高科技股跑赢美国 阿里研制“太章”世界最强”等消息不绝于耳。在一些报道中还有把“太章”把IBM、谷歌、英特尔等公司研发的量子计算原型机进行对比,这完全是驴头不对马嘴。何况这种模拟器并非阿里首创,只不过宣传能力上逊色于阿里因而鲜有人知。

全球巨头应当更加低调的一步一个脚印走,取得一丁点进展就连篇累牍的炒作,仿佛量子计算革命即将到来,这种行为并不利于行业的健康成长。

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