量子计算机擂台赛:中国研究组走到了谷歌前头

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日前,计算机领域上演了一场中美擂台赛。

据俄罗斯卫星网10日消息:“中国学者用一块金刚石建成世界首台量子计算机……这一结果代表了目前固态自旋体系量子操控精度的世界最高水平,研究成果发表在11月25日的Nature Communications上”。就在同日,谷歌推出的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。但在2014年1月13日,以美国加州大学的Martinis和Lidar教授为首的研究组,包括Google公司的研究人员,正式宣布:在503个量子比特的D-Wave Two型的量子计算机上的实验数据表明,没有任何量子加速的证据。MIT计算机科学家和量子计算专家Scott Aaronson认为D-Wave是炒作高手,而且认为D-Wave即使推出所谓1000位的量子计算机也不会有什么改变,因为这在原理上也不会再有量子加速的优势。

仅仅时隔一年,为何有如此大的反差,到底是谷歌对科研成果注水,进行商业炒作,还是美国加州大学的专家错了?俄罗斯媒体声称“中国基于金刚石建成的世界首台量子计算机”与谷歌推出的D-Wave量子计算机孰优孰劣呢?

量子计算的基本原理

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,传统计算机的性能增长越来越困难。因此,探索全新物理原理的高性能计算技术的需求就应运而生。

量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式。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。所谓量子位就是一个具有两个量子态的物理系统,如光子的两个偏振态、电子的两个自旋态、离子(原子)的两个能级等都可构成量子位的两个状态——晶体管只有开/关状态,也就是要么是0状态,要么是1状态;而基于量子叠加性原理,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。

举例来说,因为1个量子位同时表示0和1两个状态,7个这样的量子态就可以同时表示128个状态。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,这就是量子计算机相对于经典计算机的优势。

量子计算机具有极大超越经典计算机的超并行计算能力。例如,求一个300位数的质因数,目前最好的经典计算机可能需要上千年的时间来完成,而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。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。

谷歌的D-Wave并非标准量子计算机

标准量子计算机是具有普适性的计算机,可以运行各种各样的算法,类似于经典计算机,电路等效于图灵机模型,可以把图灵机的各种功能用电路来实现。计算机的电路由基本的门来构成。而标准的量子计算机也是有这样的一个概念,是由一系列基本的逻辑门来实现量子电路,进而实现各种算法功能。这种量子计算机被称为具有普适性的量子计算机,而谷歌的量子计算机就没有量子计算机对应的门的概念。

那谷歌宣称“解决问题时能够比其他任何计算机都快出一亿倍”是怎么回事呢?



谷歌的D-Wave

谷歌的D-Wave是量子退火机,算法和一般意义理解的加减乘除的算法是有区别的,一般的算法,比如求开方或求互质是有标准的程序。而蒙特卡罗算法的一个关键步骤就是要形成一些随机数,由随机数去模拟。谷歌的D-Wave模拟了一个量子模型,经过数值分析模拟出量子的势场结构;其量子处理器由低温超导体材料制成,利用了量子微观客体之间的相互作用。因此,其体系是量子力学的。

而量子力学在微观层面上和宏观层面上是有区别的,它可以穿透一些势垒结构——比如有一道高5米,厚0.1米的墙,要翻过去必须有不亚于PLA的身手。但量子力学层面,有一定的概率普通人可以直接穿墙。在经典层面上,用传统计算机来模拟的话,就必须老老实实的去爬墙,而这就是谷歌宣称快1亿倍的原因所在。

换言之,谷歌的量子计算机只是针对特定环节,做特殊算法的计算机。谷歌的退火算法可以在特定的环节、特定的应用中超过传统计算机,但并不具有普适性。

中国量子计算取得突破

杜江峰研究组把金刚石的一个碳原子由氮原子取代,外加氮原子旁边的一个空位,组成了NV色心结构,成为单自旋固态量子计算的载体。基于金刚石体系的固态量子计算有标准量子计算的门操作,是真正的量子计算。



金刚石中NV色心的结构

量子比特可以分为物理比特和逻辑比特。物理比特并不稳定,可能现在有10个物理比特,但很快就丧失了。因此,不得不通过纠错码过程对10个物理比特做冗余,最后生成了一个逻辑比特,逻辑比特有很好的容错特性。

量子计算要产生相对于传统计算的足够优势,有效的逻辑比特的数目必须要大于30的情况下才行,要做出真正的量子计算机则需要几百上千物理比特。而量子技术需要利用量子相干性才可以做计算,但每个量子比特都非常脆弱,很容易被环境退相干,使量子的相干性丧失,而且退相干的速度随着体系的扩大而呈指数增加,量子比特越多,退相干速度越快。

这时候就必须采用纠错码技术,鉴定噪声的可能状态,在假定了噪声特性的基础上,构建纠错码系统,构建纠错容错的理论体系。

其实,传统计算机也会发生计算错误,但可以通过纠错码计算。而量子计算机也是这样,如果能够达到容错预值(容错预值不仅仅是对操作精度,对噪声的总体水平有一个约束的关系)——外界噪声低到一定水平,操作达到一定精度之时,就可以满足容错计算。

杜江峰研究组在传统的纠错码下达到了非常高的操作精度,量子逻辑门精度达到了99.99%,其单比特门精度已经满足容错计算的需求。



NV 色心 GSD 成像实验平台

要构建量子计算机,下一步的工作就是系统扩展,把成百上千的逻辑比特都达到满足容错计算的精度,那量子计算就可以实现了。但系统扩展难度非常大,建成量子计算机任重道远。因此,虽然杜江峰研究组确实取得了关键技术突破,但俄媒报道“中国学者基于金刚石建成世界首台量子计算机”显然是夸大其词。

中美量子超算孰优孰劣

杜江峰研究组基于金刚石体系的固态量子计算是开创了一个新体系,但其NV色心可集成性远远不如量子点系统和超导系统,离建成真正的量子计算机还有相当漫长的路要走。

量子点系统、超导系统具有可集成性,但操作精度远远达不到量子计算的要求——而这也是谷歌之所以研究量子退火,而非标准量子计算机的原因。而借助超导体系已有的相对成熟的超导电子学,谷歌可以比较容易集成数量较多的量子位,但选择了这条路也意味着谷歌不存在用量子退火机“升级”,制造出量子计算机的可能性。

因此,就构建标准量子计算机而言,杜江峰研究组显然是走在了谷歌前头。

但中科大和谷歌并非中美两国唯一研究量子计算的科研单位——清华大学正在研究离子和核自旋的量子计算;国防科大和中科院武汉物理数学所正在研究离子系统的量子计算;南京大学正在研究基于超导材料的量子计算,这些单位都建成了相应的实验平台,具备了开展高水平研究的条件。而美国IBM也在量子计算机领域深耕多年(非谷歌的退火机,是真正的量子计算机)。在此情形下,断言中美量子计算孰优孰劣还为时尚早。
随意001 发表评论于
有量子存储器吗?这个不用运算,应该容易多了吧?要是存储速度能提高个1000倍,那也挺牛了
维真 发表评论于
量子计算机就算是运算速度提高一亿倍也不能说是将NP变成了P。在大数据面前一亿倍算什么,一个NP问题照样耗死你。

NP问题应该是无简单解的,因为世界上应该是存在这类不可能在类似O(N)范畴内能解决的运算难题的。
东边来个喇嘛 发表评论于
解释的清清楚楚,终于明白了。

Lol wuda fork u talking bout? 说了半天,只看懂一点:就是中国的厉害呵呵
我是一元党 发表评论于
关键是D-Wave的量子退火算法不涉及量子逻辑门,严格意义上来讲不属于量子计算机。让P问题算的更快并不是什么本事,NP变P才是本事。
wjhwsh 发表评论于
外行们你喷我我喷你,有人真正懂得量子计算吗?
hot_powerz 发表评论于
城里能人很多,一般的科技新闻都有些有质量的的相关回复,受益多多。不过这个专题可能无人懂,失望。
甘麓士 发表评论于
维基百科,自由的百科全书
D-Wave 系统公司
D-Wave logo
公司類型 私有
成立 1999年
代表人物 Vern Brownell, 首席执行官
Geordie Rose, 首席技术官
V. Paul Lee, 主席
總部地點 加拿大英属哥伦比亚省本比纳市
產業 电脑硬件
產品 D-Wave Two, Orion 网络服务
營業額 N/A
净利润 N/A
員工人數 约60人
子公司 无
網址 dwavesys***

D-Wave 系统公司(D-Wave Systems, Inc)是一家量子计算机公司,座落于加拿大英属哥伦比亚省的本那比市。2011年5月11日,D-Wave推出了D-Wave One,被称为世界上第一个商用量子计算机,也是参照绝热理论的量子退火技术并用128量子位元来解决最优化问题的量子计算机。[1]2013年5月它宣称NASA和Google共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。[2]

D-Wave One是基于早期原型机如D-Wave's Orion的量子计算机。该原型是一个16量子位的绝热量子计算机,于2007年2月13日加州山景城的计算机历史博物馆中被公开展示。[3]同年11月2日,D-Wave公司演示了他们声称的28量子位的绝热量子计算机。[4]其使用的量子计算芯片NASA在位于加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室下的微型设备实验室制造。[5]
yuan222 发表评论于
怎么回事?中国的研究成果需要俄国来公布?

又在忽悠大家乐。
xingxing1 发表评论于

"晶体管只有开/关状态,也就是要么是0状态,要么是1状态;而基于量子叠加性原理,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"
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这是量子计算机比传统计算机速度快的根本所在。俺不是学物理的,但从小就鼓捣晶体管收音机电视机啥的。

举个例子,一个普通晶体管二位储存器在某个特定时间只能表示00,01,10或11四个状态中的一个,也就是说只能表示4个数字中的一个。而因为一个量子位可以同时表示0和1两个状态,所以两个量子位的存储器在一个时间上却可以同时表示00、01、10和11四种状态 (既四个数字)。我们可以把一个运算同时作用在这四个数字上。量子计算机的超级计算能力就是来自于此。

其实无论晶体管存储器有多少位,在任何特定时间上它只能表示一个数字。而n个量子位却可同时存储2的N次方个数据。
PatrioticCCP 发表评论于


这有什么,毛主席领导我们50年前就超英赶美了。

这个大跃进好!从手机的AP都要买到量子计算机,跨过了西方发达国家50年的进程!!!

TheEarth 发表评论于
看样子将来对帝国主义惊醒技术封锁有资本了。
我是一元党 发表评论于
谷歌的是利用量子隧穿效应的专门用于算模拟退火算法量子计算机,而中国研发的是基于叠加态坍缩的通用型量子计算机。模拟退火算法只能求出NP问题的概率近似解,这个算法本来就是P算法,谷歌只不过加快了其运算速度而已。但理论上量子计算机有更好的算法在多项式时间内得出NP问题的准确解,使NP问题变成了P问题。
iBear 发表评论于
研究有啥用,等着到时候山寨好了。
甘麓士 发表评论于
2011年5月11日,加拿大(Burnaby,Great Vancouver)的D-Wave 系统公司發布了一款號稱“全球第一款商用型量子计算机”的計算設備“D-Wave One”[9]。該量子設備是否真的實現了量子計算目前還沒有得到學術界廣泛認同[10]。2013年5月D-Wave 系统公司宣称NASA和Google共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。[11]

中国媒体很无知,打架都找错了人
andromedaM31 发表评论于
google的已经是工程样品机,中国的那个还是实验室的玩意,根本不可同日而语
MovingTarget 发表评论于
没读懂,但是听上去很了不起.
正研究喷点。