谁抓住了薛定谔的猫?---日本对量子计算的贡献 ---- 戴维

ICT 2017年07月21日

前一阵子,微信的朋友圈里,有一条消息极为火爆。大家都在转贴2017/5/3中国科学技术大学的一则新闻,即中科大联合浙江大学,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了两项重大突破性进展,成功构建出光量子计算机,打破了世界纪录。

这让笔者大吃一惊,记忆里量子计算一直是北美领先。早在2011年,加拿大企业D-Wave Systems就开发出了首台商用量子计算机“D-Wave One”,销售给谷歌与美国宇航局。D-Wave One的原理是基于一种叫做“量子退火算法(Annealing)”,而量子退火算法的概念则是东京工业大学西森秀稔教授和他的研究生門脇正史在1998年率先提出的。那么,在这个领域里,中美日的实力究竟是怎样一种状况呢?让我们来一起查证。

量子计算很难直观地表述。量子计算机英文是"quantum computer",其本意是使用量子力学原理的计算机,用来区别只适用经典物理的计算机。我们知道,经典物理计算机(即传统计算机)只使用0和1,每一个比特要么是0要么是1。而量子力学里的“量子”则是可以叠加的,即一个比特可以既是0也是1。

关于量子的叠加性,有一个著名的“薛定谔的猫”假说:即假定盒子里有一只猫,从外边看上去,既是活的也是死的,只有当打开盒子那一瞬间,才能确定死活。即试图以直观的方式解释微观世界的波动性与粒子性。

那么,量子计算机对信息是如何描述的呢?
传统计算机的运行是对bit(位)的操作,从一串二进制数变成另一串二进制数;决定两串二进制数如何转化的是逻辑门。量子计算机的运行是对qubit(量子位)的操作,从一个量子态演化到另一个量子态,决定两个量子态如何演化的是量子门,其实质是一个遵循量子力学的幺正算符(Unitary Operator)。

比如,传统计算机2个bit可以表达4个信息: 00,01,10,11,要作4次运算。量子计算机2个qubit 一次运算即可以达到同样的效果,运算速度是传统计算机的4倍。
传统计算机3个bit可以表达8个信息:000,001,010,011,100,101,110,111,要作8次运算。量子计算机3个qubit 一次运算即可以达到同样的效果,运算速度是传统计算机的8倍。
以此类推,30qubit的量子计算机的运算速度是30bit的传统计算机的2的30次方,大约10亿倍,随着位数的增加,运算速度以指数级增快。

目前世界上最快的超级计算机,每秒运算速度是8,612万亿次,“亿”在十进制里是9位数,这个听起来很惊人的数字,换算成位数是16位数。加拿大的第一代量子计算机D-Wave One的位元数为128。它的理论运算速度是每秒做2的128次方运算,相当于一个39位的大数。也就是说D-Wave One的运算速度大约是超级计算机的10的23次方倍,换算成我们可以理解的数字,就是千万兆倍。 2017年1月24日公布的D-Wave2000Q,其位元数达到了2000,计算速度已经难以用通俗的数字来表达了。按照设计,D-Wave的计算能力以每2年2倍的速率在加速。当然,在解决现实问题时,并非这样简单的换算。量子计算机的优势是在海量数据里瞬间寻找最佳组合,更适合于开发新药,人工智能,天气预报等等。

中科大的披露说,在2016年已实现国际最高水平的10光子纠缠操纵。在此基础上,构建了世界首台在性能上能够超越早期经典计算机的单光子量子计算机。最新实验测试表明,该原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有类似的实验加快至少 24,000 倍。

我们知道,2016年5月当时,世界上最快的量子计算机是IBM的5光子模型机,以及谷歌的9光子模型机。所以,中科大的10光子机是一个了不起的成就。然而,高科技领域的发展是非常迅速的。谷歌最近宣布在今年年底之前实现49光子量子计算机,IBM在今年5月17日公布了他们的17光子模型机,并且预言在不久的将来实现50甚至更多光子的量子计算机。理论界认为,只有当实现了50光子以上的运算,才算是真正的量子计算机。围绕量子计算机的竞争,似乎在中美之间如火如荼地展开。

究竟谁会抓住薛定谔的猫呢?日本似乎被遗忘到蚊帐之外。

其实不然,量子计算机的处理器当然很重要,但是要最大地利用量子力学的特性,还需要开发有针对性的算法。比如D-Wave One的“量子退火算法(Annealing)”就是日本科学家发明的,而世界上最初开发qubit处理器的当数东京大学的中村泰信教授和東京理科大学的蔡兆申教授。日本在基础研究方面有着很深厚的基础。

量子计算机是靠实现无电阻的超导来发挥量子力学的特性。所以需要把qubit处理器冷却到-273度。日本在超导技术上也有着非常深厚的底蕴。从公开报道来看,日本计算机厂家似乎按兵不动,没有披露对量子计算机的研究开发计划。但是,相信以日本的国力,条件成熟时,产学联合,可以迎头赶上时代的步伐。

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文・图/戴维

参考文献:

世界初 量子コンピューターの衝撃
量子コンピュータ開発が加速、用途は人工知能
深層断面/量子コンピューター開発最前線−日本、基礎研究で存在感(日刊工業新聞)
Google’s New Chip Is a Stepping Stone to Quantum Computing Supremacy
Google is closer than ever to a quantum computing breakthrough
Google and IBM Battle for Quantum Supremacy
 IBM has cloud access to quantum computer 400 times smaller than D-Wave system
中国科学家建成世界首台光量子计算机
破世界纪录,中国光量子计算机诞生
量子计算机擂台赛:中国研究组走到了谷歌前头
科普:量子计算机是这样计算的
量子退火算法 Annealing
量子计算机会不会取代今天的计算机算法技术
我国离制造出量子计算机还有多远?

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