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中國量子計算技術“至少追平西方”
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2021/11/8 |
中國學者近日發表論文指出，其最新研發的超導量子計算級與光量子計算機實現了創紀錄的運算性能。德國同行指出，這說明中國在這一基礎研究領域至少追平了西方水平。不過，目前全球的量子計算機尚處原型機階段，和實際應用相距甚遠。
近日，中國科學院的學者對外界表示，在超導量子計算和光量子計算方面都取得了重要進展，其中，66量子比特(Qubits,又譯量子位元)的可編程超導量子計算原型機"祖沖之二號"比目前最快的超級計算機快一千萬倍，計算復雜度比谷歌的超導量子計算原型機"懸鈴木"(Sycamore)高一百萬倍。
2019年，54量子比特的谷歌"懸鈴木"成為了全球首個實現"量子優越"(Quantum Supremacy,又譯量子霸權)的量子計算機，大幅超越了傳統超級計算機的性能。不過，"懸鈴木"只能處理一些非常抽象的特定任務，和日常應用場景還有很大的距離。
此次由中國學者研發的"祖沖之二號"，按照研發團隊的說法，其處理任務的難度比"懸鈴木"高出2~3個數量級。領銜此項研究的中科院院士潘建偉對中國央視表示，接下來將攻關量子糾錯，從而探索使用量子計算來解決一些具有重大應用價值的科學問題。
除了使用超導量子計算技術的"祖沖之二號"，潘建偉團隊此次還推出了光量子計算原型機"九章二號"，其每毫秒的運算能力相當于傳統超級計算機運算3000億億年。不過，"九章二號"目前也同樣只能處理特定任務，尚不適合應用場景。
美國參議員舒默（Chuck Schumer）正要求國會起草法案，希望加強美國在關鍵技術領域的發展，以抗衡中國。專家告訴德國之聲，過去特朗普政府針對中國科技的制裁只能是暫時性措施，長遠必須得加強自身競爭力。
近年來，中國在量子科技領域取得了全球領先地位。就在2020年，潘建偉團隊與牛津大學等國際科研機構的學者在相隔上千公里的兩個地面基站之間，實現了基于量子糾纏的無中繼量子保密通信。這些科學家還利用"墨子號"量子通信實驗衛星作為量子糾纏源，首次實現了相距上千公里的兩地分發量子密鑰。
而此次"祖沖之二號"以及"九章二號"的研究成果，則被亞琛理工大學物理學教授、德國于利希超算研究中心量子通信專家米歇爾森(Kristel Michielsen)點評為"至少達到了西方的量子計算水平"。
中科院院士潘建偉則強調，其團隊研發的"祖沖之二號"具有66量子比特，因此其性能為54量子比特的谷歌"懸鈴木"的四倍。不過這兩臺原型機在處理試驗任務時，都沒有運用到其最大算力。
科學家預計，量子計算機今后有望實現搜索算法加密、物理仿真、化學分子模擬構建、人工智能等方面的應用。物理學家米歇爾森說："盡管這些應用目前都還沒有實現，但是量子計算原型機至少證明它能夠處理這些高難度的任務。"
潘建偉則指出，目前的量子計算原型機錯誤率依然太高，因此無法投入到實際應用場景中去。
量子比特的穩定性問題依然是全球研發人員面臨的重大挑戰。米歇爾森說："首先要試圖制作出高品質的量子比特以及量子邏輯門，但是要保持它們的穩定，我們現在只能做到非常短的時間。"
對于超導量子計算機而言，穩定的量子態目前只能維持30~95毫秒，科學家現在只能爭取在這一瞬間讓量子計算機處理實驗任務。
量子計算機的算力會隨著量子比特數量的增加而大幅上升，但是同步上升的也有錯誤率。米歇爾森說："在運行算法時，這就可能導致出錯。甚至會出現這樣的情況，理論算力更低的量子計算機反而展現出了更好的性能。為了糾錯，就不得不使用更多的量子比特。"
中國學者潘建偉則在接受中國央視采訪時說："下一步我們希望能夠通過4到5年的努力實現量子糾錯。"
章二號"光量子計算原型機則在可編程性方面取得了一定的突破。潘建偉在其研究論文中指出，相比以往的光量子計算設備，"九章二號"實現了對算法的更高掌控，而且能夠完成一步以上的運算。
以往，光量子計算機一直被認為是不可編程的，其應用場景將十分有限。德國物理學家米歇爾森說："量子計算的可編程性指的是：能夠對量子比特進行控制。對于超導量子計算而言，可以通過向量子邏輯門發送脈沖信號來實現對量子比特的控制。"科學家可以通過量子算法完成極大的運算量，比如計算出某種分子的最低能態。
米歇爾森指出，在最新的光量子計算技術中，科學家使用移相器、分束器等元件來實現受控變化，而且光子接收器也不再只能接受一枚光子，而是能探測多枚光子。"相比第一代光量子計算機，這是一大進步。"她認為，"九章二號"的潛在應用場景包括"玻色子采樣"運算，也就是對光子的運動進行模擬仿真。這種運算可以用于破解加密算法。"不過我還沒聽說有學者真的這么做。"
除了光量子、超導這兩種量子計算，還有離子阱、半導體量子點、冷原子等技術路徑。亞琛理工大學教授米歇爾森指出，目前還沒有一種量子計算機能夠適用于所有應用場景，"今后的情況很有可能是：某種量子計算機更適合于某一類應用場景，另一種量子計算機更適合另一類應用。適用于所有應用場景的量子計算機很可能不會出現。"量子計算機，也無法完全取代目前的傳統計算機。推特民意調查呼吁埃隆馬斯克出售特斯拉10%的股份
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