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争议量子霸权

2019年有两件事,把量子计算推向了人们关注的焦点。

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《中国经济周刊》 记者 王雨菲︱上海报道

(本文刊发于《中国经济周刊》2020年第1期)

牛牛_[官网入口]2019年有两件事,把量子计算推向了人们关注的焦点。

一个是IBM公司在年初的国际消费类电子产品展览会(下称CES)上,展出了最新的量子计算机模型,把这项科技成果引入大众视线;另一个,则是谷歌在《自然》杂志上发文,宣告“量子霸权”,还因此引发了一系列口水战。

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量子计算风头正劲

2019年1月9日,IBM的最新量子计算机被封在2.3米高的玻璃展示柜中展示,不少媒体称其看起来像一件精致的艺术品。当时,IBM宣称这台艺术品一般的Q System One量子计算机,是“世界上第一个为科学和商业用途而设计的,完全集成的通用量子计算系统”。

其实所谓“商用”,IBM传达的只是:把以往被关在数十平方米计算中心里的量子计算系统,做到了能够一体化交付的状态。牛牛_[官网入口]但因其运行条件苛刻、冷却设备复杂,以及实用性缺乏等限制,它离真正意义上的商用还相去甚远。

牛牛_[官网入口]谷歌宣告“量子霸权”更受瞩目。2019年10月23日,英国《自然》杂志上,谷歌发表了一篇标题为《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》(用可编程超导处理器实现的量子霸权)的论文,向世人宣告谷歌突破性成果,助其率先实现了量子霸权。

论文提到,谷歌团队研发出了一款由54个量子比特(qubits)组成的量子处理器,命名为“Sycamore”(译为:西克莫)。在团队设计的专属任务——对量子电路产生的随机数字进行采样的测试中,Sycamore约200秒的时间内从量子电路中采集了100万个样本(测试中有一个量子比特无法有效工作,实际只用了53个量子比特)。而据谷歌称,这一任务由一台尖端的超级计算机来完成需要约1万年。

“量子霸权”了吗?

量子计算到底是什么?

牛牛_[官网入口]针对这个问题,上海交通大学集成量子信息技术研究中心主任金贤敏教授接受《中国经济周刊》采访时介绍称,量子计算机的思想可以追溯到20世纪80年代初。1981年,著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼在麻省理工学院发表题为“Simulating Physics with Computers”(用计算机模拟物理)的演讲,提出了利用量子特性来模拟物质世界中的实际问题,从而实现并行高效计算求解的设想。

金贤敏教授解释道,“量子”不是一个具体的粒子,而是泛指各种满足量子力学规律的体系。经典计算机是通过集成电路中电路的通断来实现0和1的区分,量子计算机的量子比特则通过量子的两态体系来表示0或1。与经典计算机中比特非0即1不同,量子比特是量子态叠加,它可以同时既是0又是1。它天然的并行性,对于很多计算任务可以实现加速效果。

量子霸权又是什么?

牛牛_[官网入口]“量子霸权”(Quantum Supremacy)一词,最早由美国理论物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)创造。牛牛_[官网入口]2012年,他在《Quanta》 (量子)杂志中将“量子霸权”定义为:当量子计算机做到了经典计算机做不到的事情时的关键节点,无论所做的任务是否有实际意义。

约翰·普雷斯基尔认为,按照谷歌论文中的说法,已满足了他当初表达的“量子霸权”状态。牛牛_[官网入口]只是这个词本身,一方面由于“霸权”所带有的政治色彩歧义而被误解;另一方面加剧了对于量子技术发展现状的过度炒作。

牛牛_[官网入口]金贤敏也认为,谷歌论文中的成果符合“量子霸权”的定义,是人类计算能力发展史上可圈可点的里程碑。但是,目前用来演示所谓“量子霸权”的代表性任务,只是以一种非常特殊的方式解决了一个非常具体的问题,金贤敏强调,“相比只是展示随机电路采样这样一个特定的优势算法,如何拓展挖掘更多更全面的实用量子加速算法更加具有广泛和实际意义。”

牛牛_[官网入口]无独有偶,英特尔研究院院长理查德·乌利格(Richard Uhlig)也曾表示:“我认为量子计算真正的目标不是达成量子霸权,而是实现量子实用性。”

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你可能不知道的中国量子计算

量子计算吸引着全球的科技巨头,各国都看好量子计算的潜力。我国的科研人员和企业自然不会例外,近年来在多个技术路径上探索。

2016年印发的“十三五”国家科技创新规划中,将量子通信与量子计算机列入“科技创新2030——重大项目”中;2017年“十三五”国家基础研究专项规划中,量子通信与量子计算机被列为“事关我国未来发展的重大科技战略任务”的首位。

此外,2020年计划开放安徽省合肥市量子信息科学国家实验室,这将是世界上最大的量子研究机构。牛牛_[官网入口]从我国量子计算研究领域现状来看,金贤敏称,中国是量子计算的重要玩家,有多个研究团队与国外顶尖团队实力相近。

最新消息显示,2019年年底,潘建伟等与德国、荷兰的科学家合作,首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算,这是国际上最前沿的纪录。金贤敏补充道,发展光量子芯片技术,可以通过芯片上构建几百甚至几千的模式数来拓展量子计算资源,同样可以在诸如玻色采样等任务中演示所谓“量子霸权”,或者我们国内更常说的“量子优越性”。

借鉴国外“产学研用”的合作方式,国内首个量子计算产业联盟于2019年12月12日正式成立。联盟主导者是我国第一家以量子计算机为主营业务的初创型公司本源量子。据本源量子副总裁张辉介绍,联盟伙伴囊括高校、研究机构;应用面或是产业链上的企业,如人工智能、生物医药、区块链、低温制冷等领域;以及量子计算方向的同行。

我国几大科技公司近年来同样先后布局了量子计算。阿里巴巴达摩院量子实验室发布了量子计算云平台,并推出了量子模拟器“太章”;百度研究院量子计算研究所开展量子计算软件和信息技术应用业务研究;腾讯量子实验室在量子AI、药物研发等领域展开研究;华为也推出了HIQ量子云平台和“昆仑”量子计算模拟一体机。

大势所趋 未来将来

阿里达摩院发布的2020十大科技趋势中,趋势七就是量子计算进入攻坚期。阿里达摩院认为,目前量子计算正处于从实验室走进实际应用的转变之中。2020年量子计算将蓬勃发展,主要特点是技术上攻坚和产业化的加速阶段。

技术方面,谷歌在硬件上的进展大大增强了行业对超导路线的乐观预期,也对其他如光量子、离子阱等硬件路线造成严峻压力。阿里达摩院预测,2020年多个追赶者“或做出令人钦佩的复制性结果,或陷入高度复杂的工程噩梦”。

作为两个最关键的技术里程碑,容错量子计算和演示实用量子优势将是量子计算实用化的转折点。

容错量子计算是指通过量子纠错,避免硬件错误的累积。量子计算初创公司Xanadu把量子计算的应用前景归纳为量子优化、量子机器学习、量子化学和量子金融四方面。具体可以用来解决物流供应链最优路线、快捷准确医疗诊断、优化互联网搜索、量子人工智能、药物与新材料发现、高效风险分析和投资决策金融服务等实际问题。

就在不久前的2020年CES展台上,福特展示了其智能汽车服务的宏伟愿景。通过与微软合作,采用量子计算启发的算法,模拟在20秒内,将统筹优化的路线建议传递给每辆车,从而实现整体拥堵减少73%。

产业和生态方面,政府、企业和学术机构的规划和投入将升级、扩大。仅从2019年的公开信息就能看出,美国、印度、德国、韩国、澳大利亚、加拿大等国家先后投入上亿元人民币,支持本国量子计算领域研究和开发。我国的量子信息科学国家实验室也将于2020年迅速发展壮大。


2020年第1期《中国经济周刊》封面

2020年第1期《中国经济周刊》封面

(编辑:陈栋栋 )
(发布编辑:崔晓萌)
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