对近期一些量子计算进展的评论

刚刚注意到最近国内一些有关量子计算方面的进展报道,特别是有些媒体在显要位置刊登了诸如带有“中国发布了首台量子计算机”标题的文章。报道本质上是围绕潘老师跟其他研究组在去年年末和近期在光子线路和超导量子线路体系上实现了10个量子比特的纠缠态,并演示了利用量子算法求解量子线性方程组的能力等进展。但是报道里面捎带的评论大有夸大其词的嫌疑。特发此短评,希望能对不知情的知识分子界提供些许的参考,也希望藉此获得更多来自国内同行的反馈。欢迎批评指正。

就在前几个月,Google在学术会议上宣布今年计划完成49量子比特的量子计算机研发。目前经典超级计算机能够模拟的最大规模量子计算机是49量子比特,如果实验室能够实现高于49比特的量子计算机,任何经典计算机都无法在有限时间内模拟其运算过程。从公开文献和外部报道的信息看,我认为国内搞的量子计算机侧重于某些固定结构的算法实现,所以能否通用,我无法下结论。此前的报道有标题党嫌疑。

量子计算机跟经典计算机的最大不同在于实现了微弱量子态的制备和控制,取代了基于经典比特态的信息处理方式。其很多效应意味着经典计算机算法的终结。比如,量状态不能复制(no-cloning principle),其结果意味着经典计算机算法里面常用的将一个变量复制到另一个变量的复制操作不再适用于量子计算机;而且经典计算机的循环和条件操作因为必须要测量比特信息,在量子计算机里面这种操作就意味着对量子态的破坏或塌缩(collapse),所以也不能在量子计算机里面直接用。而量子计算机对具体问题的运算大概就需要不断的对自己的线路整体结构不断的变化和调正,每一种结构对应解决一种特定的问题,而不是基于对比特态测量后的结果再行判断下一步要将晶体管的开关转换到什么状态。据我所知,在实验室要制备10个光子的纠缠态尚且需要大量的准备时间,而且重复实现比较困难,如何将这些操作自动化、精细化、可控化,也许还有很长的路要走。更不要谈如何实现对更广泛领域的推广应用问题。

另外,要实现一个或者若干个量子态的操作尚且困难,要实现这些量子态的可纠错操作将更加困难。量子态从某种意义上说,是极其脆弱的,很容易受到外界环境波动的影响,量子纠错作为一个必要的措施来抵抗各种错误的发生是实现通用量子计算机的重要条件。这就像去实现一个复杂的系统–比如像组织一个国家的运行,即使每个关键的部件或者人有时候变得并不可靠,但只要在系统层面上有足够的冗余性和优化选择的机制,整个系统仍然可以是可靠的。所以最终量子计算机的每一个量子比特都要配以若干的系统冗余来对抗各种单元部件和单步操作的内秉失误率,以实现系统级的可靠性。特别是对某些计算来说,由于其计算结果已经超过了任何经典超级计算机所能模拟验证的极限,如果量子计算机不能证明其本身是可靠的,没人能够简单认可或证实其计算结果是否有价值。其因增加可靠性而要付出的代价几乎是随着量子比特位数指数级增长的,所以更高量子比特位通用量子计算的实现并非比10个量子比特位系统更简单,或者难度线性增加,而是更高数量级的越发困难。

国内大众看到目前我们在量子卫星以及若干量子计算领域突破点等方面的进步而欢呼雀跃,但现实是我们在一些关键的系统设计、基础元器件和自动化量子操控等领域尚缺乏人才、产品和知识基础,而且没有高效的社会组织方式。将来即使实验室可以实现更高比特位量子计算的演示,要实现能够拿来用的工程计算机,我们未必有比较踏实的基础准备。IBM前期发布的5个量子比特的在线系统,让更多人可以提交任何计算操作请求,不管其价值如何,我认为基本目的有两个:1.吸引招揽能够从事系统设计和操作的人才;2.集思广议,探索可以在小型量子计算机运算的应用系统和可解决的问题,这样可以形成一个商业循环,吸引民间投资,加速资金聚集,加速研发进程。Google前面买断了加州大学的一个研究组,跟NASA合作,并且积极探索非纠错的量子计算机在人工智能和优化算法上的应用,也是跟市场接轨,开拓边应用边研发边聚集人才和投资的举措。这些商业化的举措要比单纯的发文章,做个新闻发布会,或者跟尚无明确应用开发方向的阿里巴巴合作(仅从外部报道看)来的更加实际有效。绝大多数公众尚且对量子科技玄乎其玄,决策层自然就很容易被学者忽悠,粗放式的铺开摊子发展。与其让政策听任于书面的报告,追求与单一的,学界尚无明确技术路线的实现通用量子计算机的长远目标,不如引导让一部分市场的力量选择那些学术界许诺可以实用化的量子技术先行投入小范围应用的小目标,“不管是黑猫白猫,抓住老鼠就是好猫”,并加速这些关键技术的资金、人才、低廉化、系统化的发展进程,形成广泛的社会、部件产品和工程基础,再适时地聚集人才在最接近实现的突破口上集中优势兵力一一加以突破。否则将难免出现学者口里的永远是“10-25年就能实现”的现象;也难免出现实验室里做的很好,结果基础元器件没法用,社会上也没人知道怎么用量子计算机,拱手将研究成果让与其他有开发、制造和应用市场的其他更有准备的国家或者企业领衔量子计算机的实用化进程;也难免会出现,一旦量子计算机实现,大量的从事传统信息产业的人才失业,造成推动新技术革命机遇面前的巨大社会阻力的现象。我认为,这些前期的分担风险,提前转移劳动力,培养人才,推广应用新技术和优化资源配置的工作都应该在国家层面上和社会思想舆论上积极推进,摸着石头过河。

我目前所设想的路径如下。在国家层面上适时的借助我们在量子通信和量子秘钥分发上面的优势,在同步卫星轨道验证量子秘钥分发实验取得成功后,逐步试点实施国家电网等量子加密升级等系统工程,带动相关器件制造产业链发展、科普和人才积累。同时资助材料设计等量子计算机有希望能够直接应用并可以在经典超级计算机上可以小规模模拟量子计算效果的领域提前布局,通过产业政策和专项奖励鼓励实现小规摸通用量子计算的“云”服务器产品开发和编程接口实现(不要等到大规模量子计算机的实验室实现后再搞产业政策),并对科研和业界相关机构的共享开放,以一定数额的科研基金和具体的定向政策撬动社会资金对以上重点项目直接相关的量子计算和量子信息理论研究和业界联盟专利申请提供持续资助和媒体覆盖服务。而此时国家测量计量标准局应该对如何验证和分析量子系统的理论技术和量子通信标准等加以规范。我相信早有人想在我前面,也一定有更好更实际的措施。谨此希望社会各界能实现更多的发展共识,摆脱为炫耀成果而宣传的心态,踏实推进系统层面的新技术革命。

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