一不小心就见证了历史:不是马克龙当选总统,而是科学巨人——第一台超越早期典计算机的量子计算机诞生。

  量子计算领域的ENIAC

  5月3日,中国科学院在上海召开新闻发布会,公开了两个量子计算机原型,一种是基于线性光学,一种是基于低温超导系统。由中国科技大学、中国科学院-阿里巴巴量子计算机实验室、浙江大学、中国科学院物理所等单位协同完成研发,纯正的中国血统,国内科学界为之沸腾。同往常一样,这样的新闻出来也少不了各方质疑,不论是货真价实还是言过其实,我们力求通过更多的信息来达成更深的认识,尽量客观地看待这项成果。

  霍金认为,下一次革命是计算机科学发展驱动的,包括人工智能和量子计算。人们对于人工智能已经开始渐渐熟悉,但是对量子计算却知之甚少,我们这样的小白面对一大堆物理学专业术语,很难理解这是个什么东西。 但是每个人小时候的第一节电脑课上,也许大多数老师都讲过计算机的历史:1946年,美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院制造出世界上第一台电子管计算机“ENIAC”,开辟了一个计算机科学技术的新纪元,有人称其为人类第三次产业革命开始的标志。而对于此次的成果,《自然光子学》的审稿人给出的评价是:“中国科学家研制出的这台量子计算机,可以说是量子计算机领域的ENIAC。”给我们展示了该成果的意义。

  什么是量子计算机

  究竟“量子计算”是什么?有人给出了一个形象的比喻,也就是“自行车与飞机”——如果现在传统计算机的速度是自行车,量子计算机的速度就好比飞机。中国科技大学潘建伟院士对此进行了具体的说明,量子是构成物质的基本单元,不可分割,而且具有叠加的特性。

  量子计算机则是利用量子相干叠加的原理,可以实现超快的并行计算和模拟能力的计算机。通俗说来,经典计算机二进制算法是“非0即1 ”,就像一个人只有一双手,一个时间段只能做一件事,而是量子计算机则是“同时存在”,相当于一个拥有2的N次方双手的千手观音,可以同时做2的N次方双手可以做的事情,随着N不断变大,计算能力呈现指数级增长。

  归结起来,量子计算机的作用就是能够超越经典计算能力,实现量子计算。

  中国造的“第一台”

  此次公开的两个计算机模型中,基于线性光学的光量子计算机,是研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上构建出的(注:量子纠缠——处于纠缠状态的两个粒子有一个奇妙的特性,一旦对其中一个粒子进行测量,并且确定了它的状态,那么就能立即知道另一个粒子所处的状态,即使相距遥远,一个粒子的行为也会影响另一个的状态,当量子系统的状态发生变化时,纠缠态的粒子状态都可以发生变化)。在光子体系,潘建伟院士的团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子、十光子纠缠,这一点已经处于世界领先状态。

  在这样的基础上团队构建出光量子计算原型机,“玻色取样”的速度比业界快了2.4万倍,与人类首台电子管计算机ENIAC和首台晶体管计算机TRAADIC相比,运行速度提高了10到100万倍。这台光量子原型计算机是针对玻色取样任务的。(注:玻色取样——由于该任务计算量非常大,因此科学家们将其堪称是测试计算能力的一个“竞赛项目”。)

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  另一个基于低温超导的原型机则是用来做线性方程求解的,可以实现10个超导量子比特纠缠,2015年,谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个量子比特高精度操纵,而潘建伟团队的10个超导量子比特纠缠是目前世界上最大的数目,首次登上两位数

  关于量子计算机的研究,可以追溯到1920年量子力学的诞生。多年之后,2007年加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机,但并不能用来解决通用问题,只能专门用来处理一些优化问题。2009年世界首台可编程的通用量子计算机在美国诞生,后来德国于利希研究中心、IBM等也相继在量子计算机的研究方面取得突破。5月3日中科院和阿里巴巴共同发布的两款原型也并非通用机,仅仅能够做玻色取样和线性方程求解

  量子计算机的第一梯队

  对于量子计算机的研究仅仅处于初级阶段,目前不同企业、机构的研究也都在探索不同的方向,例如潘建伟团队的光子量子计算、超冷原子量子计算和超导量子计算、微软的拓扑量子计算、英特尔的硅量子点技术等等多个方向。而利用超导量子计算的还有两强——谷歌和IBM。IBM于2016年研制出5个量子比特的量子计算机,而上文提到的谷歌更快一步,在2015年就实现了9量子比特操纵,中国潘建伟团队仅仅领先了一个量子比特,但是在争夺未来量子霸权方面毫不输阵。

  今年3月份,IBM量子计算的CTO兼副总裁斯科特·克劳德表示,IBM的量子计算机将开始向商用项目转变,推出全球首个通用量子计算云服务IBM Q,针对科研和商业领域为用户提供付费的量子资讯和服务。IBM将技术落地实现商业化的模式通常是开放给用户,然后通过用户来促进技术的发展,和人工智能Watson如出一辙,这种做法也为技术落地和普及起到了重要的作用。他们计划未来推出50量子位的量子计算机,但是目前IBM的进程还无从得知。

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  另一巨头谷歌在4月下旬宣布,要在年底打造出49个量子比特的操控,而且谷歌认为,小型量子计算机会在五年内兴起。

  潘建伟的团队目前正致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试,计划今年年底前发布量子云计算平台。在这样的宏图背后,是阿里的布局。2015年7月阿里就与中科院联手成立实验室,共同研究量子计算机。10月份,阿里云和中科院旗下的国盾量子联合发布了量子加密通信产品,在阿里云网络环境建立了多个量子安全传输域,这一做法给量子计算机和量子云计算平台的落地早早铺好了路。

  一个是量子比特操控的进展,一个是量子云计算平台和量子安全传输体系的构建,现在谁能抢占市场还很难说,但可以肯定的是,中国在量子计算机领域的布局并没有落后。

  商业价值及未来应用

  Gartner预测,到2017年全球公有云服务市场将增至2468亿美元,相比2016年增幅高达18%。也有行业专家表示,到2021年,全球云计算服务市场规模有望达到3910亿美元。云服务是量子计算机商业化的关键,最初的用户非常容易构建生态,形成技术壁垒,占据行业制高点,但是对于投资者来说,受限于技术的发展和商业模式的探索,可能短期内很难看到收益。

  如此强大的计算能力对于某些数字和变量密集的行业具有直接的意义,例如医疗健康、金融服务、仓储物流、安全防护等等,这些高度数字化的领域将率先尝到量子计算的甜头。通过云平台延伸到个人用户手中的智能设备,工作、娱乐、生活场景中都蕴含着巨大的商业价值。另外,对于科研、教育事业也具有极大的意义,随着计算能力的提升,目前虚拟现实、增强现实、人工智能等技术领域存在的壁垒也将被溶解。

  潘建伟团队此次推出的成果虽然不是通用机,但是突破10个量子比特的成果,其技术意义也是不可小觑的。依托阿里,在互联网巨头的布局把控中,挤入量子计算机研究的第一梯队,也许实现技术转化不需要太久。