Google“快一亿倍”背后:量子计算到底是如何实现的?

日前,谷歌推出的D-Wave量子计算机,号称其解决问题的能力比其他任何计算机都快出一亿倍。有人认为是谷歌为夺人眼球,进行商业炒作;也有人认为谷歌制造出了量子计算机,是重大的技术进步。

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就在同一天,俄罗斯媒体称,“中国用1块金刚石建成世界首台量子计算机......量子逻辑门精度达到了99.99%,这一结果代表了目前固态自旋体系量子操控精度的世界最高水平”。

那么,谷歌的D-Wave和中国基于金刚石研制的量子计算机,谁是世界第一台量子计算机呢?

量子计算的基本原理

量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式。基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元,通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。

所谓量子位就是一个具有两个量子态的物理系统,如光子的两个偏振态、电子的两个自旋态、离子(原子)的两个能级等都可构成量子位的两个状态——晶体管只有开/关状态,也就是要么是0状态,要么是1状态;而基于量子叠加性原理,一个量子位可以同时处于0状态和1状态,当量子系统的状态变化时,叠加的各个状态都可以发生变化。

举例来说,因为1个量子位同时表示0和1两个状态,2个这样的量子态就可以同时表示4个状态。N个量子位可同时存储2的二次方N个数据,数据量随N呈指数增长。同时,量子计算机操作一次可同时对2的二次方N数据实现变换,这种并行处理数据的能力等效于电子计算机要进行2的二次方N次方操作的效果......等于是一次演化相当完成了2的N次方个数据的并行处理,这就是量子计算机相对于经典计算机的优势。

中国并没有基于金刚石建成量子计算机

中国学者并没有用金刚石做出量子计算机。而是把金刚石的一个碳原子由氮原子取代,外加氮原子旁边的一个空位,组成了NV色心结构,成为单自旋固态量子计算的载体。

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(NV色心)

NV色心的空位中的未成对电子表现出自旋为1的性质。当使用532nm的绿光激发NV色心时,NV色心可以发出红色荧光,荧光的零声子线在637nm。通过532nm的激光激发后,可以以大于90%的概率将NV色心制备到初始状态,而且研究人员可以通过微波和射频可以操控其状态。

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(晶体结构和能级结构)

相比于量子点、超导体系,NV色心电子自旋的相干性质非常好——量子相干性是量子计算的前提,量子计算需要利用量子相干性才可以做计算,但每个量子比特都非常脆弱,很容易被环境退相干,使量子的相干性丧失,而且退相干的速度随着体系的扩大而呈指数增加,量子比特越多,退相干速度越快。

采用NV色心有以下优势:

一是通过离子束注入方法对金刚石注入氮离子以形成NV色心结构的技术已经趋于成熟。

二是单自旋量子比特。区别于NMR这类利用系综自旋作为研究对象的方法,NV色心体系的研究对象为单电子自旋。

三是稳定的荧光性质以及单光子发射源。在强光长时间作用下,NV色心仍可能持续发出稳定荧光。

四是较理想的退相干时间。在超纯样品中,甚至可以达到毫秒量级。

五是利用共聚焦系统即可实现单自旋量子比特的初始化和读出,易实现。

六是室温下即可实现量子态制备、操纵和读出。其他多数备选方案的实验条件比较苛刻(比如谷歌D-Wave的低温超导体对温度要求非常苛刻),操纵技术指标要求很高。在室温即能进行实验,大大提高了实验的可行度。

要实现量子计算,至少要满足以下几个条件:

  • 量子计算机必须有可识别的定义明确的量子比特。量子比特可以分为物理比特和逻辑比特。通过纠错码过程对数个物理比特做冗余,最后生成了一个逻辑比特,逻辑比特有很好的容错特性。
  • 量子计算机必须可以进行可信的初态制备。
  • 量子计算机必须具有较弱的退相干效应。
  • 量子计算机必须可以进行精确的量子门操作。谷歌的低温超导系统的操作精度和量子计算要求的单比特门和双比特名精度差距甚远。
  • 量子计算机必须建立非常强的量子测量机制。

就上述几点NV色心体系皆已经满足——NV色心体系中包含一个自旋为1的电子自旋体系和多个核自旋,这些自旋都可以作为量子比特;NV色心体系中的电子自旋可以通过激光激发的方式制备到初始状态,其周围的核自旋可以使用动力学核极化或者极化传递的方式进行高保真度的初态制备;在氮含量低于5×10^-9(质量分数)的超纯净金刚石中,NV色心电子自旋的退相干时间长达几百微秒,核自旋的退相干时间长达几十毫秒,并且经过对NV色心电子自旋周围的核自旋进行纯化后,电子自旋的退相干时间可以长达几毫秒,甚至可以更长,相对于单个量子非门操作可达GHz的速度来说,这些足以保证量子计算的高精度;目前NV色心体系的单个量子门操作精度已经可以达到99.99%以上(也就是俄罗斯媒体报道的最新技术突破);NV色心体系对单电子和单核自旋的single-shot测量已经实现。

看不懂的直接看结论——

因此,NV色心体系满足成为量子计算机载体的最基本的要求,成为一个优秀的量子计算机载体候选者。

而俄罗斯媒体报道的杜江峰研究组最新科研成果是在传统的纠错码下达到了非常高的操作精度,量子逻辑门精度达到了99.99%,其单比特门精度已经满足容错计算的需求。

要构建量子计算机,下一步的工作就是系统扩展,把成百上千的逻辑比特都达到满足容错计算的精度,那量子计算就可以实现了。但系统扩展难度非常大,建成量子计算机任重道远。因此,虽然杜江峰研究组确实取得了关键技术突破,但俄媒报道“中国学者基于金刚石建成世界首台量子计算机”显然是夸大其词。

谷歌的“快一亿倍”,靠谱吗?

标准量子计算机是具有普适性的计算机,可以运行各种各样的算法,类似于经典计算机,用电路等效于图灵机模型,可以把图灵机的各种功能用电路来实现,电路有基本的门来构成。而标准的量子计算机也是有这样的一个概念,是由一系列基本的逻辑门来实现量子电路,进而实现各种算法功能。这种量子计算机被称为具有普适性的量子计算机,而谷歌的量子计算机就没有量子计算机对应的门的概念。

那谷歌宣称“解决问题时能够比其他任何计算机都快出一亿倍”是怎么回事呢?

退火的概念起源于金属加工技术,指将金属加温到某个高于再结晶温度的一点并维持此温度一段时间,再将其缓慢冷却。

谷歌的D-Wave是量子退火机,是利用量子场和一种优化算法空间的相似性,用量子直接模拟这个优化空间然后在物质的最低能量点,而不是数学上的最低点。

由于量子力学在微观层面上和宏观层面上是有区别的,它可以穿透一些势垒结构——比如有一道高5米,厚0.1米的墙,要翻过去必须有不亚于PLA的身手。但量子力学层面,有一定的概率普通人可以直接穿墙。在经典层面上,用传统计算机来模拟的话,就必须老老实实的去爬墙,而这就是造成D-Wave量子退火算法有非常大的加速,也是谷歌宣称快1亿倍的原因所在。

换言之,谷歌的量子计算机只是针对特定环节,做特殊算法的计算机。谷歌的退火算法可以在特定的环节、特定的应用中超过传统计算机,但并不具有普适性。

所谓比传统计算机快1亿倍,是拿一个专门选择的特定问题上特定优化的算法,去和配置不明的传统计算机上的模拟退火算法比较。

诚然,不排除在特定环节、特定应用中,谷歌D-Wave相对于传统计算机具有优势。但D-Wave并不具有普适性,而且超导系统操作精度远远达不到量子计算的要求。因此,D-Wave并非真正意义上的量子计算机。

其实,在2014年1月13日,以美国加州大学的Martinis和Lidar教授为首的研究组,包括Google公司的研究人员,正式宣布:在503个量子比特的D-WaveTwo型的量子计算机上的实验数据表明,没有任何量子加速的证据。

MIT计算机科学家和量子计算专家ScottAaronson认为D-Wave是炒作高手,而且认为D-Wave即使推出所谓1000位的量子计算机也不会有什么改变,因为这在原理上也不会再有量子加速的优势。

虽然不排除D-Wave在特定领域能够发挥其作用,但拿根本不是量子计算机的量子退火机和传统计算机模拟特定算法做比较,就宣传“比其他任何计算机都快出一亿倍”,难免有商业炒作的嫌疑。而国内某些只求夺人眼球,却不求事实真相的媒体更是以讹传讹的宣传“谷歌成功制造量子计算机”,更是给D-Wave添加了几分商业炒作色彩。

金刚石做材料过于奢侈?

关于有网友认为金刚石做材料太贵,其实钻石高价格完全是戴比尔斯集团这样的垄断集团为获取暴利人为抬高价格——最初时候,通过控制原产地、渠道、加工等环节牢牢把持了钻石的利润分配和价格。当俄罗斯开始大卖钻石无法控制原产地后,又通过品牌、营销、渠道、加工、认证等手法继续把持产业链,使俄罗斯钻石无法冲击国际垄断集团的利益,继续抬高钻石的价格。而当人造钻石技术愈发成熟,品质上已经不逊于,甚至是优于天然钻石后,国际垄断集团又开始大肆贬低人造钻石,热捧天然钻石......

其实,中国人造金刚石产量早已位居世界第一位,占全球产量的90%。这一方面是市场的巨大需求;另一方面是拥有自主知识产权的六面顶压机和化学气象沉积等设备及工艺逐渐成熟。

据统计,2015年,中国人造金刚石年产近100亿克拉,年增长率21.45%。中国人造金刚石出口量近十年总量增加了14倍多,美国是中国人造金刚石的最大出口市场。照这个发展趋势,当产量进一步扩大,那么人造金刚石的成本有可能会进一步下跌。而且相对于对温度要求非常苛刻的低温超导材料,人造金刚石的材料成本就显得不再像一些人想象的那样“奢侈”。

结语

谷歌之所以研究量子退火,而非标准量子计算机的原因是超导系统操作精度远远达不到量子计算的要求。同时,借助超导体系已有的相对成熟的超导电子学技术,谷歌可以比较容易集成数量较多的量子位。但选择了这条路也意味着谷歌不存在用量子退火机“升级”,制造出量子计算机的可能性。

杜江峰研究组基于金刚石体系的固态量子计算是开创一个新体系,但其NV色心可集成性远不如量子点系统和超导系统,离建成真正的量子计算机还有相当漫长的路要走。

因此,前者根本就不是标准量子计算机,而后者虽然取得关键技术突破,但离真正建成量子计算机还尚需时日。

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