当前量子计算技术前沿是什么水平?

发布时间:2019-06-15 编辑:西极电力网

当前量子计算技术前沿是什么水平?

本人坐标耶鲁大学,是 Devoret-Schoelkopf 超导量子计算实验室迄今唯一本科来自中国的博士生。

(一)量子是个啥?

(二)各种量子技术都是啥?

(三)量子计算机有啥用?

(四)量子计算机怎么做?

(五)当前量子计算实验研究的各路高手都是谁?

(六)量子计算到底难在哪?进展到哪一步了?

(七)量子计算何时商业化?

(八)中国的量子计算处于什么水平

(九)结束语:我们为什么研究量子计算?

不过在长篇大论之前想先喊几句:

量子计算机不是摩尔定律的延续,没有理由取代经典计算机

在现阶段,“量子比特数大战”是没有意义的

近几年量子计算“商业化”的泡沫极多,各种项目鱼龙混杂

中国的量子科技有个别亮点,但总体显著落后于美国和欧洲

这两年来,自己在被看过各种新闻的小伙伴们不停地问:

量子计算机还要多久才能造出来?听说马上就要/已经造出来啦?......

量子计算是不是快要商业化了?有了量子计算机,IT 产业会彻底颠覆吗?程序员会大量失业吗?......

中国是不是也要造出量子计算机了?中国的量子科技世界领先吗?你们实验室做得过中科大吗?......

问话地点包括但不限于餐桌、微信、剧场、超市、洗手间等。由此意识到两件事:开心的是自己的领域最近确实在受到不一般的关注;但尴尬的是大家平时接触到的有关量子计算的报道(哪怕来自看似“专业”的媒体)几乎都带着很强的宣传甚至营销风格,极少会用科学的态度说事情,一次次地展示“科技新闻”的下限,让人分不清这究竟是一场科技革命,还是又一轮商业炒作。这实在令人遗憾——在信息最发达的时代,铺天盖地的新闻却多是噪声,普通人依旧没什么机会弄清热门话题的真相。

这也是我动笔的主要原因——我希望更多理性的童鞋能了解一些有关量子计算的事实。

本文主要面向非专业读者,只需要基本的物理和信息技术常识即可。本文也不是学术论文,重点是介绍这个领域的整体图像、主要挑战,尽量不涉及太多知识细节。其实与当下的其它科技热潮(例如人工智能)相比,量子计算、尤其是它的物理实验是一个规模很小、离生活较远、有相当专业门槛的严肃科学领域(量子力学只是其中最最基本的知识),想通俗但准确地把事儿说明白挺不容易。但我会努力尝试滴~ 不过最重要的是——区分什么是科学、什么是炒作:(预览一下正文第六部分的几条屡试不爽的经验判据)

当前所有以量子比特数作为首要亮点的“进展”几乎都是炒作

所有在新闻媒体上首发或大肆渲染的“进展”几乎都是炒作

所有在朋友圈里大量转发、被非专业人群大量关注的“进展”几乎都是炒作

在现阶段,所有“多少年后做出量子计算机”的承诺都是炒作

车辆起步,请扶稳坐好。[本文谈到的所有进展都已经公开发表,不会透露任何实验室的内部消息和图片]

首先也最重要的是,我们在谈论任何科技进展的时候都必须分清三个概念:科学事实、理论构想、未来展望。

科学事实必须是清晰、准确、可重复的实验结果。确凿的实验事实是最扎实的科学知识。例如,氢原子有一个质子和一个电子,正常人有23对染色体等等。当前量子计算机的研究也是建立在非常坚实的实验基础之上——后面会讲到,在过去的二十多年里,科学家已经在量子物理的两条新战线上分别取得了里程碑式的重大进展。

理论构想是依据已知科学事实、通过逻辑推演得出的预言或设计。再精妙的理论构想也要经过实验检验之后才能被称为事实。例如,1916年,爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的预言;但是这个构想直到1974年天体物理学家 Russell Hulse 和 Joseph Taylor 用 Arecibo 射电望远镜发现脉冲双星 PSR 1913+16 后才首次得到明确验证(敲黑板,并不是最近的 LIGO 实验)。不过,不是所有的理论家都像爱因斯坦一样伟大。科学史上,优美的理论预言最终没能通过实验的检验是再常见不过的事。

另一类未能实现的理论构想存在于工程设计中。很多童鞋可能都知道达·芬奇的“飞机”设计手稿,这里我们说另外一个例子——英国数学家和工程师 Charles Babbage 最早在1837年设计出了一种叫分析机(Analytical Engine) 的机械计算机。用现代的计算理论看,分析机就是一台图灵完备(Turing-complete) 的通用计算机,它有内存、有算数逻辑单元、有指令集、有条件与循环控制,编程方式很接近今天的汇编语言,理论上可以用纯机械方式完成现代电子计算机的所有运算。1843年,英国数学家 Ada Lovelace(著名诗人拜伦的女儿)为分析机编写了一段伯努利数的计算程序,被认为是地球上的第一只程序猿。但是,分析机的复杂与精密程度超过了十九世纪机械工程的水平,Babbage 生前也没能为此得到足够的经济支持,于是这个原本可以成为人类第一台通用计算机的伟大设计就永远地停留在了图纸上,直到一百年后电子计算机问世。

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