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日前，中國科學技術大學宣布，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機 “九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的 “高斯玻色取樣”任務的快速求解。
據(jù)媒體報道，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍；其速度比去年谷歌發(fā)布的 53 個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。相關論文于 12 月 4 日在線發(fā)表在國際學術期刊《科學》。
雖然媒體報道中不乏“量子霸權”、“一百萬億倍”之類的名詞，但就目前的量子計算機更多是科研性質，不具備全面取代經典計算機的能力，只會是經典計算的補充，而非替代。建成可以全面取代經典計算機的標準量子計算機任重道遠。
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量子計算為何被很多人看好
近年來，傳統(tǒng)計算機發(fā)展中已經逐漸遭遇功耗墻、通信墻等一系列問題，加上摩爾定律開始失效，芯片性能的增長開始放緩，傳統(tǒng)計算機的性能增長潛力和增長速度都已大不如前。在這種情形下，探索全新物理原理的高性能計算技術的需求就應運而生。
量子計算的基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務。一般選用處于糾纏狀態(tài)的量子，比如光子的兩個偏振態(tài)、電子的兩個自旋態(tài)、離子的兩個能級來構建量子位。
想必很多人都聽說過薛定諤的貓，而量子位就類似于那只貓的狀態(tài)。一個量子位可以同時處于 0 狀態(tài)和 1 狀態(tài)，當量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時，疊加的各個狀態(tài)都可以發(fā)生變化。
相對于只能表示 0 和 1 的晶體管，量子位能同時表示 0 和 1 兩個狀態(tài)，這就使量子計算機在并行計算上具有巨大優(yōu)勢——畢竟 N 個量子位可同時存儲 2 的 N 次方個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨 N 呈指數(shù)增長。同時，量子計算機操作一次等效于電子計算機要進行 2 的 N 次方次操作的效果，等于是一次演化相當于完成了 2 的 N 次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這是現(xiàn)在的電子計算機所不具備的。理論上說，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領域具有突出優(yōu)勢。
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“量子制霸”標準量子計算機屬于“永遠的 50 年”
近年來，關于量子計算機的各種新聞不絕于耳，國內中科大潘建偉院士團隊、郭光燦院士團隊，國外谷歌、IBM 公司、Intel 公司先后開發(fā)出了量子計算原型機。
此前，谷歌、英特爾、IBM 分別推出過 49、50、72 個物理比特的原型機。此前，谷歌此前發(fā)布的“通用量子計算機”Bristlecone，在量子比特數(shù)目上達到全球第一。不過，這里所謂的“通用量子計算機”的稱呼，其實說具有較大水分的，只是專用機，做不到通用。
“九章”的“計算”結果也是蒙特卡洛算法模擬出來的，并非標準量子計算機。目前的量子計算機對特定算法有顛覆性效果，可以解決特定的問題，但不具備普適性，可以作為經典計算機的補充，但無法取代經典計算機。
IBM 的 IBMQ 原型機則被譽為“世界首個專為科學和商業(yè)用途設計的集成通用近似量子計算系統(tǒng)，是目前全球唯一的獨立商用量子計算機”。一些媒體在報道中，將 IBMQ 與 ENIAC 相比，認為將開啟量子計算新時代。
然而，標準量子計算機的實現(xiàn)可能性和可控核聚變類似，都是“永遠的 50 年”，量子計算機將很快取代經典電子計算機只是不靠譜的幻想。
什么是“永遠的 50 年”呢？
如果一項計算實現(xiàn)難度很大，以目前的技術儲備幾乎看不到實現(xiàn)的可能，但萬一實現(xiàn)了足以引發(fā)一場技術革命，那么，在談實現(xiàn)這項技術還有多久的時候，往往會用 50 年來表述——過了 10 年，同一個記者再去問同一個專家，得到的回復還是 50 年。
也就形成了所謂的“永遠的 50 年”。
如果回答是 20、30 年，但時間到了卻沒做到，由于具體負責人都還在崗或在世，因而會帶來一系列負面因素，但如果是 50 年，保不齊當年鼓吹這項技術的項目帶頭人都不在了，而且漫長的時間，也有利于沖淡人們的記憶。
量子計算機就是這樣的一項技術，如果能夠實現(xiàn)的話，前景廣闊，但以現(xiàn)在的技術儲備而言，根本制造出標準量子計算機。同屬“永遠的 50 年”的還有可控核聚變技術，如果能夠成功人類能擺脫化石能源枷鎖，也許還能開啟共產主義社會模式。問題就在于，這項技術屬于“永遠的 50 年”。
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實現(xiàn)標準量子計算機難度極大
之所以實現(xiàn)標準量子計算機難度極大，主要是因為在編碼、系統(tǒng)擴展、邏輯門精度、相干消等諸多方面，都有著極大的差距。
編碼是制造通用量子計算機的最大攔路虎。如果要制造出超過經典計算機的標準量子計算機，就必須至少獲得 50 個邏輯比特。然而，目前人類所知的量子糾錯機制，必須用上 80-10000 個物理比特，才能產生 1 個邏輯比特。目前全球沒有任何一家商業(yè)公司或科研機構，能夠做出一個邏輯比特。
要說明的是 50 個邏輯比特并不是終點，而僅僅是一個新起點——雖然一些量子計算機的鼓吹者聲稱 50 個量子比特就能顛覆經典計算機，但實際上，這種說法并不客觀。
瑞士蘇黎世皇家理工學院的物理化學家馬科斯 . 雷勒表示：“如果我們擁有超過 200 個邏輯比特位，我們就能在量子化學上做到傳統(tǒng)計算機無法做到的事情，如果擁有 5000 個邏輯比特位，量子計算機將為這一領域帶來顛覆性的改變?！?/p>
更多的邏輯比特就需要擴展系統(tǒng)，但系統(tǒng)擴展的難度會以幾何倍數(shù)增長，何況現(xiàn)在連一個邏輯比特都無法實現(xiàn)。
邏輯門精度也是一個大問題，要制造出標準量子計算機，單比特門精度和雙比特門精度都必須達到非常高的要求。一些現(xiàn)在所謂的“量子計算機”的單比特門精度和雙比特門精度其實都達不到標準量子計算機的要求。
量子計算有賴于量子糾纏，隨著環(huán)境、時間的變化，量子之間會失去這種糾纏效應。而維持量子糾纏的穩(wěn)定時間才是真正有用的，而 IBM 此前只能維持 90 毫秒，這么短的時間，基本不具備實用價值。
現(xiàn)在這些所謂的“量子計算機”，雖然在宣傳上往往冠以“通用”之名，但其實都只能完成特定任務。
比如國內的某臺量子計算原型機就只能做波色采樣，不具備通用性。國外谷歌、IBM、英特爾的機器也是類似，都是專用機，在一些特定應用，能夠取得相對于經典計算機的優(yōu)勢，但不具備通用性。
對于量子計算機，無論是商業(yè)公司也好，還是政府也好，投入一定資金進行探索是非常好的。在技術進步的道路上，不斷取得成績也值得稱贊。
但一些商業(yè)公司過分炒作量子計算概念，對一些有限且局部的進步大肆渲染浮夸營銷誤導大眾，仿佛量子計算機就要到革命的前夜，仿佛經典計算機就要成為電子垃圾，未免就有些過了。
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標準量子計算任重道遠
谷歌、IBM、英特爾與潘院士、郭院士團隊的努力都值得稱贊。
然而，問題就在于量子計算機概念被過度炒作，量子已經成為與納米、Alot、5G 等詞匯一樣被媒體和資本熱炒，被捧得太高，已經超出其實際技術水平，并衍生出了很多原本不具備的概念。這種做法并不利于行業(yè)的健康發(fā)展和技術進步。
由于研發(fā)標準量子計算機的難度非常非常大，有業(yè)內人士認為：
所謂標準的量子計算機，也是一批人的定義，不見得一定是最后的實現(xiàn)方式，我們要以比較開放的態(tài)度來看這個系統(tǒng)是不是能夠實現(xiàn)超越非量子的計算能力。
無獨有偶，IBM 的工程師也提出了“近似量子計算”的概念，也就是在無法解決編碼問題的情況下，開發(fā)出能夠適應、容忍噪音的算法，并得到正確的答案。
這就像是在大選中，統(tǒng)計人員無視一些出錯的的電子選票后，仍然得到正確的選舉結果。
總而言之，量子計算機必然會先以量子專用機的形式出現(xiàn)，并在特定領域取得自己的立足之地。這些專用機只會是經典計算機的補充，而非對經典計算機的革命。
若要制造出具有通用性，且性能超越經典計算機的標準量子計算機，則是一項非常艱巨的任務。
