然而，記者經(jīng)多方訪問了解到，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)門檻之高、難度之大，雖舉國體制亦不敢妄言“幾年內(nèi)便可成為現(xiàn)實(shí)”。就連谷歌高薪聘請的來自加州大學(xué)圣巴拉拉分校的知名物理學(xué)家約翰·馬提尼斯(John Martinis)本人也曾表示：“嘗試制造一臺實(shí)際意義上的量子計(jì)算機(jī)，簡直是物理學(xué)上的一個(gè)噩夢”。
經(jīng)過對一些中文媒體報(bào)道的分析，記者發(fā)現(xiàn)，谷歌“幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃目標(biāo)”多為第三方的樂觀預(yù)估和解讀，而“谷歌欲成為量子計(jì)算領(lǐng)域霸主”，則多為媒體未經(jīng)核實(shí)谷歌工程師發(fā)表的關(guān)于量子計(jì)算計(jì)劃論文、轉(zhuǎn)而對外媒報(bào)道的曲解和誤讀。
被誤讀的“量子霸權(quán)”
翻看New Scientist的報(bào)道可以看出，將谷歌量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃等同于“量子霸權(quán)”屬于誤讀。
首先，谷歌的確有一整套量子機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)劃，這從其早早設(shè)立“量子人工智能實(shí)驗(yàn)室”這一部門即可看出。但是，谷歌量子計(jì)算機(jī)并沒有“量子霸權(quán)”這樣一個(gè)名字。
New Scientist對谷歌量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃報(bào)道的標(biāo)題是“Google’s plan for quantum computer supremacy”，supremacy在詞典上有“霸權(quán)”“至高無上”“優(yōu)越”之意，但將quantum computer supremacy編譯為“量子霸權(quán)”顯然有賺取眼球之嫌。況且在該標(biāo)題中，supremacy首字母為小寫，并不能將其認(rèn)為是谷歌為量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃擬定的項(xiàng)目名稱。
一位接近谷歌的匿名人士告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，在谷歌的語境里，quantum supremacy指的僅僅是，一臺量子計(jì)算機(jī)能比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更好地解決一個(gè)計(jì)算問題，就說明這臺量子機(jī)具有“quantum supremacy”。在這個(gè)語境下，該詞組最好翻譯成“量子機(jī)優(yōu)越性”。
也就是說，谷歌近期的目標(biāo)其實(shí)很實(shí)際，只要證明一臺基于量子理論的機(jī)器能解決一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能更好地解決的事，就能說明量子計(jì)算機(jī)相對經(jīng)典計(jì)算機(jī)的確具有“優(yōu)越性”。
記者查閱材料得知，谷歌在為其量子機(jī)選取的數(shù)學(xué)問題上認(rèn)為，只要其量子機(jī)能模擬50個(gè)量子比特構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就算打敗“最多只能模擬42個(gè)量子比特構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)”的超級計(jì)算機(jī)Edison。谷歌認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)會是一次證據(jù)確鑿的“quantum supremacy”。
此外，谷歌也并沒有宣稱明年底或者具體何年何月就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。上述報(bào)道中也是引用一些業(yè)內(nèi)人士的觀點(diǎn)，認(rèn)為谷歌“最早明年底就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)”，“5年的時(shí)間里都實(shí)現(xiàn)不了這個(gè)目標(biāo)會顯得不可思議”。而谷歌自己的計(jì)劃是大約10年的時(shí)間，至少要在谷歌自己的服務(wù)中用上量子機(jī)器學(xué)習(xí)。
量子計(jì)算機(jī)已走出“象牙塔”
中國科學(xué)院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，盡管谷歌未明確說明其計(jì)劃完成的50個(gè)量子比特芯片的目標(biāo)中量子比特?cái)?shù)是“物理比特”還是“邏輯比特”，僅就量子計(jì)算機(jī)這一前沿性科學(xué)領(lǐng)域由作為企業(yè)的谷歌引領(lǐng)這一點(diǎn)而言，足以說明量子計(jì)算機(jī)已非昔日科研機(jī)構(gòu)“象牙塔”里的探索性科學(xué)課題，而是已經(jīng)歷史性地“邁出了實(shí)用化的步伐”。
那么，谷歌的量子計(jì)算機(jī)的這一步到底邁出了多遠(yuǎn)呢?
郭光燦解釋說，量子比特存在物理比特和邏輯比特兩個(gè)概念。物理比特并不穩(wěn)定，即便現(xiàn)在可以做到50個(gè)物理比特的量子芯片，但因其不穩(wěn)定，量子相干持續(xù)時(shí)間太短，無法以量子態(tài)完成計(jì)算，因此不能稱之為量子計(jì)算機(jī);而要經(jīng)過糾錯碼或編碼對量子態(tài)進(jìn)行“維持”，就需要多位物理比特才能生成一個(gè)邏輯比特，由多個(gè)這樣的邏輯比特組成的量子芯片才能有很好的量子相干性和容錯特性，做成的量子計(jì)算機(jī)才稱得上真正的量子計(jì)算機(jī)。
因此，谷歌計(jì)劃完成的50個(gè)量子比特的目標(biāo)，如果是邏輯比特，就量子位的數(shù)量而言，確實(shí)是足以稱之為真正意義上的量子計(jì)算機(jī);但如果是物理比特，50個(gè)物理比特距離超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)依舊有相當(dāng)大的差距。
而這正是制造量子計(jì)算機(jī)的難點(diǎn)。谷歌在其發(fā)表的論文中的確也提到了“without error correction”這點(diǎn)，如果不需要糾錯的機(jī)器能夠解決一些實(shí)際問題，無疑會讓實(shí)現(xiàn)quantum supremacy這個(gè)目標(biāo)離我們更近。
郭光燦告訴記者，一般認(rèn)為，量子計(jì)算要產(chǎn)生相對于傳統(tǒng)計(jì)算足夠多的優(yōu)勢，有效的邏輯比特的數(shù)目必須要大于30個(gè)才行，而要完全通用量子計(jì)算，要幾十、上百個(gè)可實(shí)現(xiàn)任意量子邏輯操作的量子邏輯比特。
計(jì)算技術(shù)的下一個(gè)里程碑
如果研制出真正的通用量子計(jì)算機(jī)，那么它的誕生的確對經(jīng)典計(jì)算機(jī)有壓倒性優(yōu)勢。特別是在超并行計(jì)算能力方面，量子計(jì)算機(jī)大幅優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。例如，求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要上千年的時(shí)間來完成，而量子計(jì)算機(jī)理論上可以在幾小時(shí)甚至幾分鐘內(nèi)完成。特別是在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域，量子計(jì)算具有突出優(yōu)勢，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢。
“如果把經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)比作常規(guī)導(dǎo)彈，量子計(jì)算機(jī)就好比核彈頭。”郭光燦用這個(gè)形象的比喻說明了二者的區(qū)別，“當(dāng)然，就像我們平時(shí)不可能隨便動用核彈，常規(guī)計(jì)算機(jī)也不會因量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而被淘汰，但量子計(jì)算機(jī)就是這樣，它的出現(xiàn)將在計(jì)算能力上碾壓經(jīng)典計(jì)算機(jī)。”
不過，不少物理學(xué)家都認(rèn)為，通用量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化或許是太過困難的事，但能實(shí)用化特定目的的(尤其機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān))量子計(jì)算機(jī)就已經(jīng)有巨大的學(xué)術(shù)價(jià)值和工業(yè)價(jià)值了。
對量子計(jì)算充滿興趣的麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)就持此看法，他就谷歌量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃發(fā)表了自己的公開評論。
“在量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)對決的一些人所謂的谷歌‘量子霸權(quán)’計(jì)劃最是讓我興奮不已。這是一個(gè)清晰的目標(biāo)：用量子計(jì)算硬件去達(dá)成對某些定義好的數(shù)學(xué)任務(wù)的加速——相對于經(jīng)典算法而言。盡管目前的‘量子計(jì)算機(jī)’是特制的、非可擴(kuò)展性硬件的專門機(jī)器，但這仍將是科學(xué)上一個(gè)重要的里程碑。它反駁了那些認(rèn)為量子計(jì)算不能夠?qū)嵱玫娜耍⑶覍⒔o未來硬件升級能夠解決更多實(shí)用問題以舞臺。”
斯科特·阿隆森還很樂觀地預(yù)計(jì)，“‘quantum supremacy’計(jì)劃將在5~10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且我認(rèn)為硬件工程師們應(yīng)該將焦點(diǎn)聚集在此：相對于實(shí)際應(yīng)用中的‘糾纏’問題，為何不先去實(shí)現(xiàn)這一里程碑，然后再去擔(dān)心如何實(shí)際應(yīng)用?”
中國已經(jīng)落后
記者了解到，谷歌并不是世界上唯一進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)探索的機(jī)構(gòu)。相反，這一領(lǐng)域其實(shí)已經(jīng)成為下一個(gè)“軍備競賽高地”。除美國谷歌、IBM、耶魯大學(xué)等機(jī)構(gòu)開展了相應(yīng)的量子計(jì)算研制項(xiàng)目之外，日本、澳大利亞等國家也另辟蹊徑，潛心開展了量子計(jì)算芯片等的研制項(xiàng)目。
“上世紀(jì)70年代費(fèi)曼最早提出‘量子計(jì)算機(jī)’的概念，但直到上世紀(jì)90年代左右國際量子學(xué)界才開始轉(zhuǎn)向量子計(jì)算機(jī)的探索與研究。迄今發(fā)展不足三十年。”郭光燦告訴記者，“但中國在量子計(jì)算機(jī)方面的研究才剛剛起步，關(guān)注也是只有十多年的光景，足足落后了一半的時(shí)間。”
記者了解到，在國內(nèi)通過不同方法開展量子芯片研究的有中國科技大學(xué)、南京大學(xué)和中科院物理所等單位，分別采用了半導(dǎo)體量子點(diǎn)芯片、超導(dǎo)量子芯片的方案;尚未見有企業(yè)投入研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展此類研究。
需要指出的是，量子計(jì)算機(jī)的戰(zhàn)略意義巨大。一旦通用型量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)突破，首先可以知道，所有銀行里、政府機(jī)關(guān)，甚至是軍隊(duì)中用的RSA密碼的破譯難題將得到有效的解決——這不亞于原子彈對世界格局的影響。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子芯片研究方向帶頭人郭國平告訴記者，相比量子通訊和量子密碼而言，量子計(jì)算機(jī)門檻更高，難度更大，產(chǎn)出成果的周期更長，是“難啃的硬骨頭”。正因如此，國內(nèi)鮮有甘坐冷板凳者從事相關(guān)的研發(fā)。
“量子計(jì)算是長周期的課題，研究了可能會后悔，但如果不去研究，可能會更后悔。”郭國平說，我們國家應(yīng)該倡導(dǎo)更多人愿意“啃硬骨頭”，厚積薄發(fā)，只有這樣，才能將量子計(jì)算各階段的核心技術(shù)掌握在自己手里。
“就好比我國鋼鐵業(yè)，一邊在‘去產(chǎn)能’，一邊制造不出高質(zhì)量的特種鋼，問題就出在我們沒有掌握關(guān)鍵技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)也是這樣。”郭國平說，“我們不能錯過發(fā)展機(jī)遇，核心技術(shù)是買不來的，不掌握將永遠(yuǎn)受制于人。”
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