深入探究：性能超谷歌百萬倍的中國量子計算機

當今世界量子計算機研究已成熱點，中美同臺競技、相互趕超，雖說離可實用目標還遠，但前途光明，且中國具有超越美國的潛力。

什麼是量子？

量子力學，是一門既玄乎又實在的自然科學理論。

19世紀末，人們發現用舊有的經典物理學理論無法解釋微觀系統，於是經由物理學家的努力，在20世紀初創立了量子力學，解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除了廣義相對論描寫的引力以外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力學的框架內描述（量子場論）。

什麼是量子？量子（quantum）是現代物理的重要概念，即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量就是量子化的，並把最小單位稱為量子。

如我們日常中最常見的量子形態就是光子和電子。但凡有光的地方，光就是由無數個光子的顆粒組成的，叫作光量子。

從同一個光源散發出來的任意兩個光量子具有一種特性叫量子糾纏，就象是一對孿生兄弟二者有極強的「心靈感應」，將這兩個光量子分開不論多遠，兩個光量子之間的「心靈感應」始終存存，其中一個光量子的狀態改變了，另一個量子的狀態也同時改變。

雖然科學家們至今還不清楚形成量子糾纏的機理，卻並仿礙利用這種量子糾纏特性研製出量子通訊保密技術、量子計算機、量子測量等一系列運用技術。

在量子技術的研究及實用方面，中國已經當人不讓地走在了世界前列，這離不開一位國寶級的科學家，即中國科學技術大學常務副校長、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院院長、中國科學院院士潘建偉。

潘建偉長期從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究工作，是該領域有國際影響的學者，特別是在量子通信、多光子糾纏操縱、冷原子量子存儲等研究方向上做出了系統性創新貢獻，先後獲得國家自然科學一等獎、未來科學大獎物質科學獎等各類頂級大獎。他還在《自然》、《科學》等頂級國際學術期刊上發表論文180餘篇，並受國際權威綜述期刊《現代物理評論》（物理領域最高影響因子刊物）邀請先後撰寫關於多光子糾纏實驗和現實條件下量子通信安全性的綜述論文，該期刊創刊近一百年來，中國學術機構以論文第一完成單位發表的僅4篇文章。

在他領銜下，多年來中國多光子糾纏領域始終保持著國際領先水平，在全世界首先開發應用了量子通訊保密技術，發射「墨子號」量子衛星；同時，使我國在基於光子的光量子計算機研究方面保持了傳統優勢。

量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力和模擬能力，能解決經典計算機無法解決的大規模計算難題。目前，國際學術界認為基於光子、超冷原子和超導線路體系的量子計算技術最有可能取得突破，我國在這3個量子計算機研究路線的方向上，均有世界領先的表現。

2017年中國兩型量子計算機取得突破

2017年5月3日，中國科學院量子信息和量子科技創新研究院宣布，我國科學家在基於光和超導體系的兩型量子計算機研究方面，同時取得重大突破：在光量子計算機研究中，建造了世界上超越早期經典計算機的光量子計算原型機；在超導量子計算機研究中，實現了世界上糾纏數目最多的超導量子比特處理器。這兩項成果分別發表於國際學術期刊《自然·光子學》和《物理評論快報》上。

此前的2016年底，中科大的潘建偉團隊已經刷新了世界光子糾纏紀錄，將光子糾纏提升到十個光子糾纏，並自主研發了世界上最高品質和最高效率的量子點單光子源。

在前期工作的基礎上，潘建偉團隊構建了針對多光子「玻色取樣」任務的光量子計算原型機。

科學家們把「玻色取樣」這一任務看成是測試計算能力的一個「競賽項目」，「玻色取樣」的計算量非常大，現有的傳統超級計算機是難以完成的。但光量子計算機在這方面有著突出優勢。

實驗測試表明，此次發明的光量子計算機進行「玻色取樣」速度，比國際同行之前類似的所有實驗加快至少24000倍。同時，通過和經典算法比較，其比人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺電晶體計算機（TRADIC）運行速度快10倍至100倍。

這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算目標奠定了堅實基礎。

而基於超導線路體系的量子計算機比較容易集成，被認為是比較容易取得突破的研究方向，也是國際量子計算機研究競爭的熱點。

2015年，谷歌、美國國家航天航空局和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。

由中科大教授陸朝陽、朱曉波、潘建偉，浙江大學教授王浩華等合作，自主研發了10比特超導量子比特處理器（相當於傳統計算機的中央處理器的CPU晶片），通過高精度脈衝控制和全局糾纏操作，成功實現了2017年世界上最大數目的超導量子比特的多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態。

研究團隊用這一處理器演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計算的並行性加速求解線性方程組的可行性。其實，現實中的藥物篩選、星體運動規律、氣象預報等很多問題，都可以歸結為線性方程問題，這也就說明，基於超導線路體系的量子計算機有很強的應用前景。

同時，研究團隊開始致力於20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試，並計劃於當年年底前發布量子云計算平臺。預計2027年左右能夠實現對100個粒子的相干操縱，屆時中國的超導量子計算機，其針對某些特定問題的計算能力將是目前全世界計算能力總和的百萬倍。

美國量子計算機的研究進展

由於量子計算機具有獨特的並行計算的特點，其計算效率是經典計算機無法比擬。同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個。但是量子計算機存儲的結果可達2的n次方個，其並行計算不僅在存儲容量上遠超越經典計算機，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。

有人打一個有趣的比方，如果現在傳統計算機的速度是自行車，那麼量子計算機的速度就好比飛機。世界上最快的超級計算機100年的計算量，量子計算機0.01秒就可以完成，計算速度根本不是在一個數量級上。當然這一切對比的前提條件是量子計算機已經可以投入實用。

基於量子計算機的不可限量的計算能力，人們看好量子計算將為人類帶來的顛覆性改變，因此中美兩國在這個領域都在加緊投入。目前，美國的IBM、谷歌、微軟以及其他多個專業團隊都在競相致力量子計算機的研發，他們主要還是在基於超導線路體系的量子計算機研究方面取得了突破。

先看一下美國IBM的量子計算機研究情況。

2017年11月10日，在美國電氣和電子工程師協會（IEEE）的工業峰會上，IBM對外宣布，公司已經成功研發20位量子比特的量子計算機，可在年底向付費客戶開放。IBM還成功開發出了一臺50位量子比特的原型機，可為今後商業化量子計算雲服務IBM Q系統奠定基礎。

除了量子計算機外，IBM在軟體上也有建樹。其開發的QISKit是量子信息軟體處理工具包，可用於幫助研究社區最大限度利用量子計算系統的核心。IBM稱，這是包括基於Python語言的建立、操控、顯示和研究量子比特的工具，表徵量子比特的工具，批量處理任務工具和一個可將所需實驗編譯到真實硬體的編譯工具。

自2016年IBM推出5量子位的先進計算機以來，IBM在量子計算機領域一路高歌猛進，2017年3月份IBM就曾對外宣布要推出全球第一個商業化量子計算雲服務IBM Q，這也是全球第一個收費的量子計算雲服務系統。

2019年9月的消息是，IBM宣布將在10月推出53量子比特的可商用量子計算機，向外部用戶開放使用。這說明IBM第一臺量子計算機面市比以前設想的要快得多，去年就進入到了實用環節？

再來看一下谷歌的研究情況。

2019年9月20日，據英國《金融時報》報導，谷歌研究人員在本周向美國國家航空航天局（NASA）提交的論文中寫道，其實驗標誌著量子處理器上執行的首次計算。而這一堪稱「恐怖」的計算速度，被研究人員稱作是「量子霸權」的證明。谷歌稱其為「邁向全面量子計算的裡程碑」。

谷歌還預測，與摩爾定律的指數速度相比，量子計算機的能力將以「雙指數速度」發展，雙指數增長遠比指數增長更加快速——數量級不是按2的冪增長，而是按2的冪的冪增長。

據說，谷歌的量子計算機已經小試牛刀，僅僅用了3分20秒，就完成了世界第一超算計算機需要大約1萬年來完成的計算，由此谷歌聲稱全球首次實現「量子霸權」。

谷歌和IBM量子計算機的突飛猛進，被自媒體們吹得神呼其神，仿佛全世界傳統的計算機都被秒成了渣渣？可見，中國的壓力有多大了。

庚子年中國光量子計算機有了最新進展

9月5日，兼任西湖大學創校校董的潘建偉，在西湖大學首場公開課演講上向公眾公開宣布了自己研究團隊在上周取得的最新研究成果：「就在上個星期，我們剛剛完成了對50個光子的玻色取樣，相比谷歌的『量子優越性』大概可以快100萬倍。」

也就是，中科大潘建偉團隊研究的光量子計算機，已經實現光量子計算機性能超過2019年10月（9月）谷歌53比特超導線路體系量子計算機的100萬倍（10的6次方）。這次中國才真正有望向「量子霸權」發起衝擊了。

「量子霸權」長期以來被用於描述量子計算機發展的關鍵節點，指量子計算機能解決傳統計算機無法解決的複雜難題，也就是展現量子優越性，而這是量子計算機距離實際運用的關鍵一步。

此前8月，潘建偉團隊成員朱曉波教授也在中科大上海研究院舉辦的「墨子沙龍」上表示，中科大團隊年內即將實現60比特量子計算，將超越谷歌實現的53比特量子計算水平，並公布了未來十年研發目標即製備一百萬比特保真度99.8%的量子計算機。

而今年6月，潘建偉團隊在國際上首次實現基於糾纏的千公裡級量子秘鑰分發，確保了即使在（「墨子號」）衛星被他方控制的極端情況下，依然能實現安全的量子通信，成為量子通信向現實應用的重要突破。

客觀認識量子計算機

2019年6月28日，中關村在線文章《鴻蒙之後又放大招 華為崑崙量子計算原型機曝光》稱，2018年HUAWEI CONNECT 2018上，華為正式對外公布了其量子計算模擬器HiQ雲服務平臺,初次揭開了華為量子計算研究的神秘面紗，然而僅僅過了不到一年時間，有關消息就爆料，華為2012實驗室已經完成了崑崙量子計算模擬一體機原型。

文章說的是華為崑崙量子計算模擬一體機原型，採用了HiQ編程架構；搭載量子計算模擬器和崑崙伺服器9032。其本質上還是用經典計算去模擬量子計算，其硬體並非真正的量子計算機。

有些自媒體「標題黨」就開始吹捧華為崑崙量子計算機已經出了原型機，而華為最終目標是量產量子計算機云云。

其實，完全是一次烏龍事件。這完全是對華為的「捧殺」。

一般來說，量子計算機是指用量子的硬體平臺（比如超導比特離子阱原子陣列等）來運行量子算法。而量子模擬計算機則是用量子計算模式，在現有的計算機上運行，二者差距太大了。

事實上，除了國內對中科大潘建偉的研究成果的報導一貫較為實事求是外，對美國的谷歌和IBM的量子計算機也是吹得神呼其神，仿佛現在量子計算機性能這麼好，傳統計算機就沒有必要存在了，很快可以完全淘汰了？

可是，為什麼沒見到市面上賣？

然而，理想很豐滿，現實很骨感；理論很美好，應用很有限。

按照上面說的這些研究中已經實現的量子計算機原理，離真正實際應用也還存在相當大的距離。

量子計算機研究到目前為止，最關鍵的問題還是計算誤差太大了，根本不能拿來實現有意義的算法。

所以目前業界在定義「量子霸權」的時候，就很巧妙的說：「量子霸權」只要求量子計算機能夠求解經典計算機在可行的時間內求解不了的問題，而不要求這個問題有什麼實際意義。

比如，谷歌宣布「量子霸權」的隨機量子線路抽樣，本質上就是求一個均勻分布酉矩陣矩陣元的模長，這個問題本來就沒有實際意義。

此外，目前世界上的量子計算機還停留在構建實現原理性的原型機上，看看IBM、谷歌、中科大的原型機外觀就知道了，即使原理可以實用，卻離實現小型化、集成化、標準化也有相當大的差距。

因此，目前世界各國的量子計算機還僅僅處於原理性的基礎研究上，更何況總體上還存在以下四個方面難題有待科學家們突破解決。

一是要解決量子消相干的難題。

量子計算的相干性是量子並行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環境的作用與影響，從而產生量子糾纏。量子相干性極易受到量子糾纏的幹擾，導致量子相干性降低，也就是所謂的消相干現象。實際的應用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發展道路。

二是要解決量子糾纏相互影響的難題。

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規律，即使在空間上量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。在量子信息傳遞時，要解決量子糾纏帶來的相互影響。

三是要解決量子並行計算有效應用的難題。

量子計算機獨特的並行計算是經典計算機無法比擬的重要的一點，同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個，但是量子計算機存儲的結果可達2的n次方個，其並行計算不僅在存儲容量上遠超越經典計算機，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子並行計算的重要性，它如何有效應用也成為了量子計算機發展的關鍵之一。

四是要解決因量子不可克隆特性帶來難以實現糾錯及複製的難題。

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態不存在複製的過程，既然要保持量子態不變，則不存在量子的測量，也就無法實現複製。對於量子計算機來說，無法實現經典計算機的糾錯應用以及複製功能，構建計算機完整體系上將是一個很大的挑戰。

量子計算機正在真實向人類走來，即不能神化它，也不能輕視它，它的並行運算能力的確無比強大，因此它應用前景也將是非常廣闊的。

1.天氣預報。如果我們使用量子計算機在同一時間對於所有的信息進行分析，並得出結果，那麼我們就可以得知天氣變化的精確走向，從而避免大量的經濟損失。

2.藥物研製。量子計算機對於研製新的藥物也有著極大的優勢，量子計算機能描繪出萬億計的分子組成，並且選擇出其中最有可能的方法，這將提高人們發明新型藥物的速度，並且能夠更個性化的對於藥理進行分析。

3.交通調度。量子計算機可以根據現有的交通狀況預測交通態勢，完成深度的分析，進行交通優化調度。

4.保密通信。量子計算機對於加密通信,由於其不可克隆原理，將會使得入侵者不能在不被發現的情況下進行破譯和竊聽,此外在加密和破譯等領域有著極大應用優勢。

在科學探索的道路上，從來都沒有坦途，人類對科技的追求，也永遠沒有止境。

量子計算機成功的一天終將會到來。

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