誰抓住了薛定諤的貓？---日本對量子計算的貢獻 ---- 戴維

前一陣子，微信的朋友圈裡，有一條消息極為火爆。大家都在轉貼2017/5/3科學技術大學的一則新聞，即中科大聯合浙江大學，在基於光子和超導體系的量子計算機研究方面取得了兩項重大突破性進展，成功構建出光量子計算機，打破了世界紀錄。

這讓筆者大吃一驚，記憶里量子計算一直是北美領先。早在2011年，加拿大企業D-Wave Systems就開發出了首台商用量子計算機「D-Wave One」，銷售給谷歌與美國宇航局。D-Wave One的原理是基於一種叫做「量子退火演算法（Annealing）」，而量子退火演算法的概念則是東京工業大學西森秀稔教授和他的研究所門脇正史在1998年率先提出的。那麼，在這個領域裡，中美日的實力究竟是怎樣一種狀況呢？讓我們來一起查證。

量子計算很難直觀地表述。量子計算機英文是"quantum computer"，其本意是使用量子力學原理的計算機，用來區別只適用經典物理的計算機。我們知道，經典物理計算機（即傳統計算機）只使用0和1，每一個比特要麼是0要麼是1。而量子力學里的「量子」則是可以疊加的，即一個比特可以既是0也是1。

關於量子的疊加性，有一個著名的「薛定諤的貓」假說：即假定盒子里有一隻貓，從外邊看上去，既是活的也是死的，只有當打開盒子那一瞬間，才能確定死活。即試圖以直觀的方式解釋微觀世界的波動性與粒子性。

那麼，量子計算機對信息是如何描述的呢？

傳統計算機的運行是對bit（位）的操作，從一串二進位數變成另一串二進位數；決定兩串二進位數如何轉化的是邏輯門。量子計算機的運行是對qubit（量子位）的操作，從一個量子態演化到另一個量子態，決定兩個量子態如何演化的是量子門，其實質是一個遵循量子力學的幺正算符（Unitary Operator）。

比如，傳統計算機2個bit可以表達4個信息： 00，01，10，11，要作4次運算。量子計算機2個qubit 一次運算即可以達到同樣的效果，運算速度是傳統計算機的4倍。

傳統計算機3個bit可以表達8個信息：000，001，010，011，100，101，110，111，要作8次運算。量子計算機3個qubit 一次運算即可以達到同樣的效果，運算速度是傳統計算機的8倍。

以此類推，30qubit的量子計算機的運算速度是30bit的傳統計算機的2的30次方，大約10億倍，隨著位數的增加，運算速度以指數級增快。

目前世界上最快的超級計算機，每秒運算速度是8,612萬億次，「億」在十進位里是9位數，這個聽起來很驚人的數字，換算成位數是16位數。加拿大的第一代量子計算機D-Wave One的位元數為128。它的理論運算速度是每秒做2的128次方運算，相當於一個39位的大數。也就是說D-Wave One的運算速度大約是超級計算機的10的23次方倍，換算成我們可以理解的數字，就是千萬兆倍。 2017年1月24日公布的D-Wave2000Q，其位元數達到了2000，計算速度已經難以用通俗的數字來表達了。按照設計，D-Wave的計算能力以每2年2倍的速率在加速。當然，在解決現實問題時，並非這樣簡單的換算。量子計算機的優勢是在海量數據里瞬間尋找最佳組合，更適合於開發新葯，人工智慧，天氣預報等等。

中科大的披露說，在2016年已實現國際最高水平的10光子糾纏操縱。在此基礎上，構建了世界首台在性能上能夠超越早期經典計算機的單光子量子計算機。最新實驗測試表明，該原型機的「玻色取樣」速度比國際同行之前所有類似的實驗加快至少 24,000 倍。

我們知道，2016年5月當時，世界上最快的量子計算機是IBM的5光子模型機，以及谷歌的9光子模型機。所以，中科大的10光子機是一個了不起的成就。然而，高科技領域的發展是非常迅速的。谷歌最近宣布在今年年底之前實現49光子量子計算機，IBM在今年5月17日公布了他們的17光子模型機，並且預言在不久的將來實現50甚至更多光子的量子計算機。理論界認為，只有當實現了50光子以上的運算，才算是真正的量子計算機。圍繞量子計算機的競爭，似乎在中美之間如火如荼地展開。

究竟誰會抓住薛定諤的貓呢？日本似乎被遺忘到蚊帳之外。

其實不然，量子計算機的處理器當然很重要，但是要最大地利用量子力學的特性，還需要開發有針對性的演算法。比如D-Wave One的「量子退火演算法（Annealing）」就是日大學部學家發明的，而世界上最初開發qubit處理器的當數東京大學的中村泰信教授和東京理科大學的蔡兆申教授。日本在基礎研究方面有著很深厚的基礎。

量子計算機是靠實現無電阻的超導來發揮量子力學的特性。所以需要把qubit處理器冷卻到-273度。日本在超導技術上也有著非常深厚的底蘊。從公開報道來看，日本計算機廠家似乎按兵不動，沒有披露對量子計算機的研究開發計劃。但是，相信以日本的國力，條件成熟時，產學聯合，可以迎頭趕上時代的步伐。

文・圖/戴維

參考文獻：

・世界初 量子コンピューターの衝撃

・量子コンピュータ開発が加速、用途は人工知能

・深層斷面／量子コンピューター開発最前線−日本、基礎研究で存在感（日刊工業新聞）

・Google』s New Chip Is a Stepping Stone to Quantum Computing Supremacy

・Google is closer than ever to a quantum computing breakthrough

・Google and IBM Battle for Quantum Supremacy

・IBM has cloud access to quantum computer 400 times smaller than D-Wave system

・科學家建成世界首台光量子計算機

・破世界紀錄,光量子計算機誕生

・量子計算機擂台賽：研究組走到了谷歌前頭

・科普：量子計算機是這樣計算的

・量子退火演算法 Annealing

・量子計算機會不會取代今天的計算機演算法技術

・離製造出量子計算機還有多遠？