谷歌量子計算機實現量子制霸 其實只是宣傳噱頭

日前，谷歌宣布推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone，超越了之前IBM最新曝光的50個量子比特量子原型機。在量子比特數目上達到全球第一。由於「量子」概念被媒體炒得火熱，量子計算機受到了媒體和資本的熱捧，國內外諸多企業和科研機構都紛紛宣布自己在量子計算方面取得的成績。

不過，這裡所謂的「通用量子計算機」的稱呼，其實是具有較大水分的，國內外科研單位和公司開發的量子計算機都僅僅是功能有限的專用機，而非標準量子計算機。雖然一些國內外頻頻傳來量子計算機研製方面的好成績，而且谷歌也給Bristlecone冠以「通用量子計算機」的名頭，但要製造出性能超越如今經典計算機，具備通用性的標準量子計算機，依舊是任重而道遠。

國內外研發機構紛紛發布各自取得的成績

近年來，關於量子計算機的各種新聞不絕於耳，中科大潘建偉院士團隊，美國IBM公司、Intel公司先後開發出了量子計算原型機。

在2018年2月，中國科學技術大學郭光燦院士團隊創新性地製備了半導體六量子點晶元，在國際上首次實現了半導體體系中的三量子比特邏輯門操控。與此同時，中科院量子信息與量子科技創新研究院與阿里雲發布11比特的雲接入超導量子計算服務。

不過，半導體量子晶元的路子不被國際主流看好，主要是擴展性方面存在一些短板，郭光燦院士團隊擴展系統的難度非常大。相比之下，低溫超導系統因其具備非常好的擴展性，被業內廣泛看好。之前介紹的IBM、谷歌、英特爾和潘建偉院士團隊的方案都是基於低溫超導系統的方案。

IBM量子計算原型機

現有的量子計算機無法取代經典計算機

也許有人會說，50個量子比特就可以實現量子制霸，英特爾和IBM都已經達到量子制霸的門檻了，而谷歌都已經做到72個量子比特了，那麼，為何說現有的量子計算機無法取代經典計算機？

原因就在於全球沒有任何一家機構能實現一位邏輯比特的編碼，這是什麼意思呢？

量子比特分為物理比特和邏輯比特。由於雜訊的客觀存在，以及物理比特的穩定性存在一定瑕疵，因而只能通過對數個物理比特做冗餘處理，最後生成了一個邏輯比特。一般來說，雜訊越小的系統就可以使用越少的物理比特編碼一個邏輯比特。相對於物理比特，邏輯比特有較好的容錯特性。

那麼，到底要多少個物理比特才能通過編碼形成一個邏輯比特呢？

來自哈佛大學的量子物理學家阿蘭·阿斯普魯古茲克預計在現在的技術水平下大約需要上萬個實際量子比特才能做出一個邏輯比特。隨著技術進步，這一數字可能會降低到只需要幾千個甚至數百個。

德國柏林自由大學的學者埃斯特認為現在大約800個物理比特就能夠構建一個邏輯比特。

因此，雖然IBM、谷歌、英特爾做出了49、50、72個物理比特的原型機，但如果想要做出邏輯比特，目前物理比特的數量還是不太夠用的。

編碼形成邏輯比特的意義就在於能夠形成類似經典計算機0和1的概念，這是物理比特做不到的。現在的量子計算機的量子比特都是物理比特，而非邏輯比特。

這裡要強調的是，想建成具備通用性的標準量子計算機，就必須能夠做出邏輯比特。然而現實卻是，全球沒有任何一家機構能夠實現一位邏輯比特的編碼。這也是為什麼筆者在文章開頭處說，谷歌所謂的「通用量子計算機」名不副實。

另外，消相干也是也是一個棘手的問題。在進行量子計算的時候，必須確保所有的量子比特處於相干態中。這是一個十分困難的要求，因為量子相干系統會與它們周圍的環境相互影響，使得相干性迅速衰減，而且隨著量子比特數量的增加，保持相干態將變得越來越難。

因此，要製造處量子計算機，就必須具備延緩消相干的能力，而目前相干性最多只能保持不到一秒。要在這麼短的時間內能完成一定邏輯操作的次數，又對量子邏輯門切換的速度提出了非常高的要求。

事實上，這些量子計算機還處於非常原始的階段，只能用於特定應用。我們在看到量子計算機取得喜人進展，恭喜國外谷歌、IBM、Intel等公司取得階段性成果的同時，也不宜過分對這些成績拔高。

中國科學技術大學陸朝陽教授（中）和學生們在中科院量子信息和量子科技創新研究院上海實驗室檢查光量子計算機的運行情況。

結語

目前來看，無論是國外谷歌、IBM、英特爾公司研發的量子計算機，還是國內潘建偉院士團隊與合作夥伴共同研發量子計算原型機，都不是標準計算機。

研發標準量子計算機究竟難在哪裡呢？總結一下，主要是實現不了編碼邏輯比特，其次還有系統擴展、邏輯門精度、相干消等幾個方面。正是因為存在這些技術瓶頸，現在大家研發出來的量子計算機，都只稱為原型機，都只能做單一特定功能，無法實現通用量子計算。

正是因為研發標準量子計算機的難度非常非常大，有業內人士認為：所謂標準的量子計算機，也是一批人的定義，不見得一定是最後的實現方式，我們要以比較開放的態度來看這個系統是不是能夠實現超越非量子的計算能力。

無獨有偶，IBM的工程師也提出了「近似量子計算」的概念，也就是在無法解決編碼問題的情況下，開發出能夠適應、容忍噪音的演算法，並得到正確的答案。這就像是在大選中，統計人員無視一些出錯的電子選票後，仍然得到正確的選舉結果。

總而言之，量子計算機必然會先以量子模擬機的形式出現，並在特定領域取得自己的立足之地。若要製造出具有通用性，且性能超越經典計算機的標準量子計算機，則是一項非常艱巨的任務！

瑞士蘇黎世皇家理工學院的物理化學家馬科斯.雷勒表示：「如果我們擁有超過200個邏輯比特位，我們就能在量子化學上做到傳統計算機無法做到的事情，如果擁有5000個邏輯比特位，量子計算機將為這一領域帶來顛覆性的改變。」

誠然，這只是科學家的憧憬，不過，我們期待這一天的到來。

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