IBM的量子计算机真的可以秒杀中国超算吗?
来源:观察者网 2018/01/05 10:38:08 作者:观科技
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导读: 回顾刚刚过去的2017年,中国超算再次500强夺冠,但美国也在追赶,今年可能会公布2套性能180P的超算。

回顾刚刚过去的2017年,中国超算再次500强夺冠,但美国也在追赶,今年可能会公布2套性能180P的超算。

同时,两国在量子计算机的研制上,也都在取得突破,竞争激烈。

量子计算领域去年最大的新闻,莫过于11月12日,IBM宣布取得的重大进展。IBM成功研发出20量子位的量子计算机,并成功建成并测试全球首台50个量子比特的量子计算原型机。就在11月,中国的超级计算机神威太湖之光和天河二号再度蝉联TOP500前两名。有媒体随即对IBM的量子计算机与神威太湖之光超算进行比较,认为IBM的量子计算机可以秒杀神威太湖之光。

那么,目前的量子计算机真的能和超级计算机这样比较吗?为什么中美等国在这两个领域都在加紧投入研发?

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IBM 50Q 系统

中美在量子计算机研发上相互追赶

近年来,中国和美国相继在量子计算上取得突破,而且技术突破呈现你追我赶的态势。

目前,量子计算有诸多的研究方向,比如低温超导系统、量子点系统、离子阱、拓扑量子计算等。在多个方向上,中国科学家都取得了不错的成绩。

早在2015年,《中国科学报》就报道过:中国科学技术大学杜江峰研究组在固态自旋体系中实现了达到容错阈值的普适量子逻辑门,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,研究成果发表在11月25日的Nature Communications上。

中国半导体量子芯片

在2016年,中国科技大学成功研发出半导体量子芯片。该量子芯片由砷化镓材料制造,用半导体工艺做出模拟原子能级的结构实现量子比特,逻辑比特数量为3个。相比之下,国外目前还停留在四个量子点编码的两个比特水平,在该领域中国已经达到国际领先水平。

由于低温超导系统具有较好的扩展性,更适合工业化生产,因而把低温超导系统作为主攻方向的研究者更多一些。研究的人多了,自然技术成果也就多一些。

在2012年,R. J. Schoelkopf在超导线路中实现三比特的量子纠错编码。之后,美国航天航空局、加州大学圣芭芭拉分校、谷歌宣布实现的9个超导量子比特的高精度操作。

在2017年,中国科学技术大学等单位联合研制了2台量子计算机,一台基于低温超导系统,这台量子计算机有10个量子比特,一举超越美国航天航空局、加州大学圣芭芭拉分校、谷歌实现的9个超导量子比特纪录。另一台基于线性光学,达到5个量子比特。随后,中国科学院院长白春礼院士透露,中科院正在研制中国首台量子计算机,预计在最近几年内有望研制成功。

IBM这次研发出20个量子比特的量子计算机和50个量子比特的原型机,则展示出IBM在量子计算领域的技术积累。

IBM20和50量子比特阵列

对于IBM在量子计算方面取得的成绩,专家表示:“这对国际量子计算领域应该说是一个振奋的消息,IBM研发出50个量子比特的原型机说明超导方案还是目前看来最有希望的......其实,我们今年年中的时候就已经了解到IBM和谷歌今年年底都要宣称50个量子比特的事......在量子计算方面,竞争非常激烈。也多亏竞争激烈,使得国内的相关计划也进展快速,至少已经提前了2-3年......国内潘建伟院士这边的超导方案做的最快,曾经在5月份超过谷歌之前保持的记录。现在IBM领先了,后面估计谷歌要想办法扳回一局,我们国内继续加快研发进度......就目前看,美国取得了阶段性领先”。

量子计算机只能解决特定领域问题

目前的量子计算机还存在一定的局限性。

量子比特分为物理比特和逻辑比特,对数个物理比特进行编码后,才能得到1个逻辑比特。由于国际上没有一家机构能实现一位逻辑比特的编码,而实现不了编码就不可能实现通用量子计算。

因此,目前的量子计算机只能做一些特定的任务,使用分为非常狭窄。就以IBM本次研发出的20量子比特量子计算机来说,它就只能解决一些特定的问题。

其实,不仅IBM的量子计算机,中国的量子计算机同样只能解决少数特定问题。就以中国科学技术大学等单位联合研制的光量子计算机来说,这台机器是基于线性光学,把量子点当做单光子源来使用,而且可以实现光子纠缠操纵。

就用途来说,这台光量子计算原型机只能用来做玻色取样。而无法像经典计算机那样实现通用计算。

基于超导量子处理器的线性方程解法演示

另一台基于低温超导系统的原型机其实也是专用机,只能用来做线性方程组求解。

因此,现阶段的量子计算机还只是专用机,通用性还是非常有限的。

想要秒杀神威太湖之光还有很长的路要走

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。由于量子计算一次演化相当于完成了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。

中国科学院院长白春礼院士曾表示:使用亿亿次的天河二号超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01秒。

因此,量子计算机极大超越经典计算机的超并行计算能力,在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

虽然量子计算机潜力巨大,但因为其巨大的潜力,就称“IBM量子计算机秒杀神威太湖之光”就不太妥当了。

神威太湖之光

首先,IBM的量子计算机还有待进一步完善,神威太湖之光却是非常成熟的超算。量子计算机要想超越经典计算机,必须达到50个逻辑比特水平。而IBM只是研发出了50个物理比特的原型机,何况目前这个50个物理比特的样品也还没有测试结果,因而IBM还有一段路要走。

其次,目前的量子计算机只能解决特定的几个问题,通用性非常有限,明显逊色于神威太湖之光。

要建成比经典计算机性能更好的通用量子计算机,必须要达到50个逻辑比特,而从大家的实验进展来看,实现多物理比特的任意纠缠会随着比特数上升,技术难度呈现指数上升的趋势。目前,国际上没有一家机构能实现一位逻辑比特的编码,就现今的技术水平而言,成功研发通用量子计算机还较为遥远。正是因此,目前的量子计算机都是专用机,只能用来解决特定问题。

作为对比,神威太湖之光则具有较好的通用性,可以运行大量的应用。而且已经有“非线性地震模拟”、“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”先后荣获戈登贝尔奖,这代表着中国在超算应用上达到国际顶尖水平。就解决的问题数量和通用性而言,神威太湖之光明显处于优势。

最后,即便建成了50个量子比特的量子计算机,也仅仅是在特定的计算问题上可以和普通超算比较了。但想要和超算中性能顶尖的神威太湖之光相比还是有一定差距。毕竟全球很多超算的性能尚不足神威太湖之光的百分之一。

即便如此,中外科学家在量子计算上取得的技术成果依然值得称道。正如刚刚问世的火车跑得还不如马车快,然而火车却拥有巨大的发展潜力,这是马车所不具备的。

量子计算机与经典计算机的关系也是类似。在赞许国外科研团队取得技术突破的同时,我们也期待国内科研团队能取得突破,再次实现对美国的阶段性领先。

原标题:IBM的量子计算机真的可以秒杀中国超算吗?

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