為什么網(wǎng)上買(mǎi)不到量子計(jì)算機(jī)？

陸朝陽(yáng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、上海研究院執(zhí)行院長(zhǎng)。長(zhǎng)期致力于量子信息和量子計(jì)算的研究，在《現(xiàn)代物理評(píng)論》、《自然》、《科學(xué)》等國(guó)際頂級(jí)期刊雜志發(fā)表論文140余篇，被引用28000余次。多自由度量子隱形傳態(tài)工作入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)Breakthrough of The Year，“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)和實(shí)數(shù)量子力學(xué)檢驗(yàn)的工作分別入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)Highlights of The Year。曾獲國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、首屆科學(xué)探索獎(jiǎng)和新基石研究員、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)阿道夫隆獎(jiǎng)?wù)?、美?guó)物理學(xué)會(huì)量子計(jì)算獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)、全球華人物理學(xué)會(huì)亞洲成就獎(jiǎng)。

Q：現(xiàn)在專(zhuān)用的量子計(jì)算機(jī)和通用的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)系是怎樣的？把各種功能的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)集成起來(lái)，就是通用量子計(jì)算機(jī)嗎？速度更快一點(diǎn)嗎？

**A：**把量子計(jì)算機(jī)分為“通用”和“專(zhuān)用”，其實(shí)目前它們之間的界限并不是那么的清晰。比如說(shuō)，谷歌這個(gè)實(shí)驗(yàn)用超導(dǎo)量子線路，把它叫做通用的，是因?yàn)樗怯昧孔颖忍睾瓦壿嬮T(mén)連接起來(lái)的，可以通過(guò)改變連接方式或不同的邏輯門(mén)來(lái)“重新組合”使它執(zhí)行不同的操作。但問(wèn)題是，谷歌目前的超導(dǎo)量子線路要真正體現(xiàn)出量子優(yōu)勢(shì)的話，目前又只能通過(guò)“隨機(jī)線路取樣”（Random circuit sampling）這一種專(zhuān)門(mén)的算法。另外，可以通過(guò)邏輯門(mén)來(lái)操作的，包括離子阱、超導(dǎo)、中性原子這些體系，其實(shí)也可以用來(lái)做專(zhuān)用的“量子模擬”。所以目前階段這兩者的區(qū)別不明顯。

專(zhuān)用量子計(jì)算包括目前用玻色取樣算法來(lái)做的光子的路線，以及用超冷原子光晶格、離子阱、超導(dǎo)線路等等來(lái)完成一個(gè)和特定哈密頓量演化關(guān)聯(lián)的任務(wù)。很多時(shí)候，公眾特別關(guān)注這兩者的區(qū)別，可能出發(fā)點(diǎn)在于認(rèn)為通用的什么事情都可以做。但是實(shí)際上在我的報(bào)告里面已經(jīng)說(shuō)了，即使一個(gè)通用的機(jī)器做出來(lái)，我們也只會(huì)用它去運(yùn)行高計(jì)算復(fù)雜度的、相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)有優(yōu)勢(shì)的“特定的”問(wèn)題。所以，總體上來(lái)說(shuō)，我覺(jué)得專(zhuān)用和通用這兩個(gè)都是非常重要的目標(biāo)，名字不重要，解決問(wèn)題最重要。專(zhuān)用的量子計(jì)算，假如能解決像高溫超導(dǎo)這樣的單個(gè)問(wèn)題，這本身就是具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值了。

Q：我們跟IBM相比較有什么優(yōu)勢(shì)？

**A：**IBM的物理體系和谷歌是一樣的，但是它的技術(shù)發(fā)展路線跟谷歌又有所區(qū)別。谷歌一直是推著質(zhì)量和數(shù)量一起往前走。所以在谷歌的新聞里面，量子比特?cái)?shù)量并不是特別多，大部分時(shí)候比IBM要少，但是谷歌比較關(guān)注邏輯門(mén)精度方面的一些指標(biāo)。IBM到現(xiàn)在也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，對(duì)任何一個(gè)問(wèn)題都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。IBM去年還是前年發(fā)表了一篇文章，題目宣稱(chēng)“Quantum Utility”（量子實(shí)用性）。但是那篇論文非常悲催，發(fā)表了一個(gè)月之后，就有國(guó)際同行的4篇論文Comment（挑戰(zhàn)）它，證明了IBM解決的那個(gè)問(wèn)題完全不需要超算去PK，用一個(gè)筆記本電腦幾秒內(nèi)就可以算出來(lái)。當(dāng)然，IBM有可能是想把數(shù)量先壘上去之后，再把邏輯操縱的門(mén)的質(zhì)量給做好。

Q：請(qǐng)問(wèn)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和光量子計(jì)算機(jī)，這兩個(gè)不同物理載體的技術(shù)在穩(wěn)定性能和效率方面孰優(yōu)孰劣？

**A：這兩種技術(shù)目前都處于比較初步的階段，都在努力提高量子比特的數(shù)量和質(zhì)量，**不同點(diǎn)就是超導(dǎo)是在低溫下的，以固態(tài)芯片的形式工作，通過(guò)很多微波線去控制它；光量子計(jì)算是在室溫下，以單光子作為主要的介質(zhì)，通過(guò)一些線性或者非線性的相互作用，用單光子探測(cè)器對(duì)它進(jìn)行讀取。

Q：關(guān)于去年Lukin的中性原子量子計(jì)算，有什么評(píng)價(jià)嗎？今后的主流是否可能是中性原子？

**A：**中性原子特別在去年確實(shí)是異軍突起，它和離子阱相比的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是數(shù)量更容易擴(kuò)展。在Lukin小組的實(shí)驗(yàn)里大概用到了300個(gè)左右的原子。在前兩天放在arXiv的工作里，大概能夠重排1000個(gè)原子。估計(jì)兩年之內(nèi)，數(shù)量可能會(huì)到1萬(wàn)個(gè)原子。所以原子數(shù)量的擴(kuò)展是比較快的。另外，之前學(xué)術(shù)界擔(dān)心中性原子邏輯門(mén)精度不夠高，后來(lái)Lukin小組也做到了99.5％。它的一個(gè)更大的優(yōu)勢(shì)在于光鑷原子的可移動(dòng)性，可以相干的移動(dòng)。量子比特如果是在固態(tài)體系，就像是你在班級(jí)里要給一個(gè)同學(xué)傳一張紙條，如果你們?cè)谧簧喜荒軇?dòng)，你得讓同學(xué)一個(gè)個(gè)傳過(guò)去，就像邏輯比特得一個(gè)個(gè)門(mén)傳過(guò)去。但是如果在下課時(shí)間，你就可以自己走過(guò)去把紙條給他，因?yàn)榭梢砸苿?dòng)，所以在容錯(cuò)量子計(jì)算的資源消耗方面，大概可以帶來(lái)10倍的節(jié)省。這是目前理論上的預(yù)測(cè)。

**但最終哪種體系最有前途還很難說(shuō)。**中性原子也有自己的缺點(diǎn)，比如它比較容易丟失，特別是銣原子，它做門(mén)、做讀取很容易丟掉。當(dāng)然也有方法把它救回來(lái)。在Lukin小組的工作里面，他們其實(shí)沒(méi)有做到嚴(yán)格的糾錯(cuò)。因?yàn)閯倓傉f(shuō)的中性原子容易丟失的問(wèn)題，他其實(shí)只做了最最簡(jiǎn)單的一個(gè)編碼之后立刻讀取的過(guò)程，所以中性原子跟超導(dǎo)相比，在糾錯(cuò)方面其實(shí)是落后不少的。Lukin他們非常聰明，把中性原子最好的優(yōu)勢(shì)以一個(gè)最容易的實(shí)驗(yàn)搶先演示出來(lái)。但是后面還有很多硬骨頭需要啃的。所以我覺(jué)得這幾個(gè)系統(tǒng)都會(huì)各自非常努力地往前走。

Q：現(xiàn)在有很多公司宣稱(chēng)做量子計(jì)算軟件，這個(gè)和目前的研究有什么具體的聯(lián)系嗎？

**A：**因?yàn)槲冶旧硎亲鑫锢淼?，我可能比較傾向于“第一性原理”思考。我們可以回想一下，最初在做經(jīng)典計(jì)算機(jī)的時(shí)候，為什么需要軟件。這是因?yàn)閷?duì)經(jīng)典計(jì)算來(lái)說(shuō)，通過(guò)半導(dǎo)體工藝一下子可以印刷出幾百萬(wàn)個(gè)、幾千萬(wàn)個(gè)甚至幾億個(gè)晶體管，經(jīng)典比特。這里，硬件是很便宜的，所以，要通過(guò)發(fā)展軟件，把這幾億個(gè)晶體管組織好，讓它們?nèi)プ瞿硞€(gè)任務(wù)，就像將軍指揮打仗一樣。

當(dāng)我們?cè)侔堰@個(gè)概念移植到量子計(jì)算上，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們目前量子比特只有“物理比特”，沒(méi)有“邏輯比特”。首先我們得思考先怎么把物理比特操縱好，因?yàn)橐话丬浖幚淼亩际沁壿嫳忍兀ú粫?huì)發(fā)生錯(cuò)誤的0和1）。對(duì)量子計(jì)算來(lái)說(shuō)，我們現(xiàn)在最多只有幾百個(gè)物理比特，這種情況叫做hardware expensive，硬件昂貴，實(shí)際作戰(zhàn)的時(shí)候?qū)芾淼能浖](méi)有很高的要求。

所以我們要想的是，即使要做量子軟件，也是怎么樣讓這個(gè)軟件能夠更好地服務(wù)物理比特，服務(wù)硬件。我覺(jué)得不能簡(jiǎn)單地套用，搞一個(gè)量子軟件，搞一個(gè)量子操作系統(tǒng)，但是物理本質(zhì)的底層問(wèn)題都沒(méi)有去解決。這有點(diǎn)像是提前去發(fā)展20年之后需要的一些東西，這些東西不是阻礙我們發(fā)展量子計(jì)算最困難的問(wèn)題。量子軟件繞開(kāi)了當(dāng)前最困難的問(wèn)題，去做更簡(jiǎn)單的問(wèn)題。

Q：來(lái)之前我在淘寶和京東上搜了量子計(jì)算機(jī)或者跟量子有關(guān)的電子消費(fèi)品，沒(méi)有搜到量子機(jī)器人、量子計(jì)算機(jī)等電子消費(fèi)品，所以我想問(wèn)的是，限制量子計(jì)算機(jī)成為我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮赢a(chǎn)品的瓶頸到底在哪里？它為什么不能像可穿戴的電子設(shè)備這樣被普及？

A：對(duì)于量子計(jì)算來(lái)說(shuō)，我覺(jué)得還比較遙遠(yuǎn)，因?yàn)槭紫任覀儸F(xiàn)在致力于建造出一個(gè)不管什么形態(tài)，不管占地多少，只需要能展示出對(duì)特定有用的問(wèn)題強(qiáng)大的算力的量子計(jì)算機(jī)，用它來(lái)取代一部分的超算，能耗要低很多。我覺(jué)得這是量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的一個(gè)最初的形態(tài)，所以它可能也是作為一種云計(jì)算的方式，作為一種算力的租賃形式來(lái)出現(xiàn)，當(dāng)然也可以拿到淘寶上租賃，比如我們有個(gè)問(wèn)題算不清楚，可以讓淘寶商家算出來(lái)，再將結(jié)果反饋給我們。感謝你打開(kāi)了我們的思路。