铁流：世界第一台超越早期经典计算机的量子计算原型机究竟怎么样

大参考

　　5月3日，世界第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机问世，这台量子计算机由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波，浙江大学王浩华教授研究组联合研制。

　　其实这并不是中国第一次公开在量子计算方面取得的成绩，在2016年，央视新闻报道：中国量子计算机取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片和量子存储。在上个月，中国科学院院长白春礼院士透露，中科院正在研制中国首台量子计算机，预计在最近几年内有望研制成功。

　　那么量子计算到底什么？相对于现在使用的经典计算机，又有什么优势呢？本次发布的量子模拟机性能究竟怎么样呢？

　　经典计算机发展遭遇瓶颈

　　在过去几十年中，由于计算机技术飞速发展，芯片的集成度和制造工艺突飞猛进。但随着制造工艺的进步，晶体管栅长不断变小的同时，也带来了副作用——那就是会使电子移动的距离缩短，容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动，为了解决这个问题，国外巨头开发出SOI技术和鳍式场效电晶体技术，通过在源极和漏极埋下一层强电介质膜，或者增加绝缘层的表面积来增加电容值，防止发生电子跃迁，这使得摩尔定律得以延续。

　　但随着制造工艺发展到7nm，如果要进一步缩短晶体硅的栅长，又会发生隧穿效应，粒子迅速穿越势垒——在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；而对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒。

　　打个比方，就是只如果你面前有一道10米高墙，按照经典力学，如果找不到合适的工具，你就翻不过去。但对于微观粒子来说，由微观粒子波动性，可以直接穿墙而过。正是由于隧穿效应使得摩尔定律在当下已然失效，经典计算机发展陷入瓶颈。经典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。最典型的例子莫过于CPU巨头Intel，在2013年之后，Intel的CPU性能增长比较有限，因而被网友调侃是“牙膏厂”。在不久前更是取消了有20年历史的英特尔开发者论坛。这其中的原因之一就是撞上了性能天花板。

　　在经典计算机发展遭遇瓶颈的情况下，探索全新物理原理的高性能计算技术就成为必由之路。

　　本次发布的两台量子计算原型机性能到底咋样

　　本次发布会上公开的是两个量子计算原型机，一种基于低温超导系统，一种基于线性光学，两个量子计算原型机都有10个量子比特。超过了美国航天航空局、加州大学圣芭芭拉分校、谷歌宣布实现的9个超导量子比特的高精度操作。

　　那么，这两台量子计算原型机性能究竟怎么样呢？

　　这两台量子计算原型机虽然符合标准的量子计算概念，但都是专用机，而非通用机——超导系统那一台原型机是用来做线性方程组求解的；基于线性光学的原型机是用来做玻色取样的。

　　在性能上，实验测试表明，该原型机的取样速度不仅比国际同行类似的实验加快至少24000倍。同时，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍。

　　换言之，就是这两台量子计算原型机只是在线性方程组求解和玻色取样任务时，与人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)相比较，运行速度快10-100倍。

　　因此，这两台量子计算原型机是专用机，而且对比的对象也是人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)。从中可以看出，这两台量子计算原型机只是量子计算机发展历程中的一小步。虽然在未来也许会有与ENIAC、TRADIC类似的历史地位，但无论从性能，还是从通用性的角度上说，都不宜过度拔高这两台有10个量子比特原型机的先进性。

　　同时，也不能因此就贬低这两台量子计算原型机。毕竟不积跬步，无以至千里，不积小流，无以成江海。而且潘建伟研究团队还计划在2017年年底实现大约20个光量子比特的操作。