量子计算战争:一场国家实力和技术路线的双重对抗

今年9月,我国中科大的潘建伟团队宣布实现在量子计算上达成50个光量子的操控,性能超越谷歌去年宣布的53个量子比特计算机100万倍,并将在今年底前实现60个光量子的操控,五年内实现1000个光量子。

这里肯定有很多人不解,为什么谷歌去年就实现了53个物理比特(transmon),而我国中科大今年仅仅实现了50个光量子的操控就能比谷歌快100万倍呢?

是自嗨还是造假,还是有我们所不知道的学术问题在里面。

其实这里涉及到学术用语,普通人可能很难区分。我国中科大团队宣布的是实现“50个光量子操控”,而谷歌宣布的是实现“53个量子比特”,这里面还是有区别的。


量子计算战争:一场国家实力和技术路线的双重对抗


量子计算所涉及的两个核心要素

量子计算是近些年号称能改变人类文明的“第三次信息革命”,各国都在抓紧大力研制,生怕落后。

由于量子目前是刚起步,离实际应用还差的很远,所以各国的量子计算都还处在萌芽阶段,到底该往哪个方向走,如何突破,如何产业化,量子计算的应用场景等问题,都还没有统一的看法。

但核心要素还是一致的,影响量子计算性能和速度的主要有以下两个要素:

  • 量子比特数量

量子计算机的核心就是能制造和操控量子比特数,数量越多,其性能呈2?的指数级增长,非常恐怖,科学家预测只要超过50个量子比特数,其算力就可以超越经典计算机,实现量子霸权。去年谷歌宣布达成53量子,实现量子霸权,而我国今年也超越谷歌100万倍,间接宣布实现了量子霸权。


量子计算战争:一场国家实力和技术路线的双重对抗

光量子的操控


  • 保真率

但目前的技术障碍就是,能制造和操控那么多的量子,但控制和维持量子信息不易,在实际运算中量子比特的稳定性和操控性并不高,甚至保真率只有0.1%。

一般来说,除非将量子位冷却到接近绝对零度(-273摄氏度,或0开氏度),否则量子位中存储的量子信息通常很快就会丢失。

如果保真率不高,实现再多的量子比特也是白搭。

中科大和谷歌的路线有何不同

知道了影响量子计算的基本要素,我们回过头再看中科大和谷歌有何不同。

其实中科大和谷歌的技术突破目前主要是集中在第一个核心要素:量子比特数。

但两家实现的方式却大不相同。

为了让大部分人能看懂,这里就不说学术用语了,以最简单直白的语言让大家了解一下其中的区别。

  • 谷歌的量子比特

谷歌的量子比特走的是比较务实的路线,一个可操控的纠缠态量子实现一个量子比特位。这个就比较好理解了,53个量子的操控,就是53个量子比特,跟经典计算机的比特是一个道理。

  • 中科大的光量子操控

中科大一开始就跟谷歌不同,他们从光量子中提取出量子的三个物理状态,如路径、偏振、角动量等特质,利用这些物理状态进行复杂的纠缠从而实现最终的量子比特,以少量的量子就可以实现三倍的比特数。


量子计算战争:一场国家实力和技术路线的双重对抗


这个要怎么理解呢,给大家举个例子:

当谷歌宣布实现20个量子比特的时候,我中科大也宣布实现18个量子比特,但谷歌实现的是20个量子的操控,而我国仅用了6个光量子,就实现了三倍的比特数,也就是18个量子比特。

听懂了吗?也就是说我国科学家可以用很少的可操控量子实现三倍的比特数。

现在再回过头看看这次中科大的申明,实现了“50个光量子的操控”,如果技术路线跟上次18比特时没有变化,按谷歌的算法应该是50×3=150个量子比特。

比谷歌的53个量子比特足足多了接近100个!翻了三倍。


量子计算战争:一场国家实力和技术路线的双重对抗

中科大以光量子的三个状态实现纠缠,等于量子比特数增加三倍


现在你能理解为何我国能超越谷歌100万倍了吧?不过从这个宣布的方式可以看出,我国科学家还是很低调的,并没有直接宣布150个量子比特,而是含蓄地说了50个光量子操控。

全球各主要量子计算团队的主攻方向

由于量子计算尚处在初级阶段,目前世界各主要量子计算团队的技术主攻方向也不尽相同,并没有统一的标准,这里再简单给大家介绍一下。

第一梯队:中科院和谷歌

这两家是全球主要量子计算的领导者,主攻前沿技术,其中以实现更多的量子比特为主。

美国第二梯队:英特尔和IBM

英特尔和IBM属于实用主义,以产业化为前提,求稳求量产,主攻量子比特的保真率,以10个以下的量子比特实现商业实用,属于跟随团队。


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IBM的量子计算机


中国第二梯队:阿里和合肥本源

阿里和合肥本源也是实用主义,但跟美国团队有所不同是都以提供量子云计算为主,主攻量子比特的保真率,属于中科大的成果转化企业


这样的布局很好,前面由中科大去冲,取得成果后,交给企业去转化成果,各司其职。

虽然量子计算离实用化还很远,鹿死谁手也尚未可知,但起码目前我国仍属第一梯队,未来可期。

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