唐旭 安妮 曉查 發自 凹非寺
繼續談談量子計算。
昨天， 中科院召開發佈會正式宣佈：“世界首台超越早期經典電腦的光量子電腦在中國誕生”。
這件事當然要點贊， 不過也要有正確的姿勢。
幾個要點有人在激動之餘， 把這件事理解為“世界第一台量子電腦誕生”， 這顯然就不對了。 也沒有正確理解中科大潘建偉、陸朝陽、朱曉波和浙大王浩華等教授， 經過長期攻關獲得的這一成果。
中國這台量子電腦性能如何？通過公開信息可見：
■ 目前只有一個單光子的量子模擬機， 並且證明了通過量子計算的並行性加速求解線性方程組的可行性。
■ 這個科研用的類比機， 性能比人類第一台電子管電腦（1946年誕生）和第一台電晶體電腦（1954年誕生）快10-100倍。
實際上， 這件事的突破之處體現在以下三個方面：
1、 高效率多光子玻色採樣
在玻色採樣這個問題上， 量子演算法有著指數級的優勢。 潘建偉團隊製造出一台專門計算玻色採樣的光量子電腦， 在計算三光子、四光子、五光子玻色採樣問題時， 計算速度比國外同行和早期電腦要快。
相關論文：
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html
2、超導電路中實現10比特糾纏和並行邏輯運算
就目前已經公開的情況看， 是超導量子系統中最多的比特糾纏數， 這在全世界也是處於領先的水準。
相關論文：
https://arxiv.org/pdf/1703.10302.pdf
3、使用超導量子處理器求解線性方程組
在四個超導量子比特上，
相關論文：
https://arxiv.org/pdf/1703.06613.pdf
先說到這裡， 懂的自然懂， 不懂的應該還是不懂……有專業人士給了量子位一個簡單的總結：是個很棒的成果， 但仍然需要冷靜看待。
基本原理和現狀概況昨天不少讀者在後臺留言， 希望解釋一下量子電腦。 那麼， 接下來量子位就強行講講量子電腦。
目前量子電腦有很多實現的方法， 上面潘建偉團隊使用的就是超導+多光子的方法。 除此以外， 還有半導體量子晶片和離子阱等等路徑。
為了製造量子電腦， 穀歌、IBM想出的辦法是用超導回路， 深耕半導體行業幾十年的英特爾希望用傳統的矽電晶體， 而一家名為ionQ的公司則是使用離子。
核心原理無非一個：進入量子力學奇怪和反直覺的世界（包括疊加態以及糾纏、隧穿）， 加快計算速度。
與傳統電腦使用0或者1的比特來存儲資訊不同， 量子電腦使用量子比特來存儲資訊。 量子比特存儲的資訊可能是0、可能是1， 或者有可能既是0也是1。
量子力學認為， 微觀物體可以處於一種“似是而非”的狀態， 即一個原子可以同時處於兩種狀態。
1個量子比特可以存儲2種狀態的資訊， 也就是0和1；2個量子比特就可以存儲4種狀態的資訊， 3個8種， 4個16種。
量子電腦的性能隨著“量子比特”的增加呈指數增長， 而傳統電腦按“比特位元”呈線性增長。 總有那麼一個臨界點， 量子電腦的性能就會超過傳統電腦。
雖然量子電腦看似美好， 但目前還有許多挑戰，
不久前， 在IBM在和ionQ公司的一次量子電腦大比拼中， 兩家開發的電腦分別只有35%和77%的運算正確率。
這還只是5個量子比特的情況， 如果是有成千上萬個量子比特，
而且5個量子比特的電腦現階段遠遠落後於我們手中的筆記型電腦。
長什麼樣？舉個栗子說一千道一萬， 量子電腦到底社麼樣？我們來舉一個真實的“栗子”：D-Wave。 這家加拿大公司是量子電腦界一個充滿爭議的明星。
D-Wave開發出了世界上第一台商用量子電腦。 年初， 他們推出可以處理2000量子比特的第四代產品：2000Q， 售價超過1億元人民幣。
設備環境
D-Wave 2000Q系統的外殼長寬高大約是3×2×3（米）， 其包含的硬體包括了複雜的低溫製冷系統、防護罩、I/O系統， 只為了支援一個指甲蓋大小的QPU。 製冷系統佔據了D-Wave 2000Q的大部分物理體積。
量子效應的發生條件是非常嚴格的。
量子處理器（QPU）需要在絕對零度（-273.15℃）附近的溫度才能運行——遮罩磁場、隔離震動和外部因素的干擾都需要絕對零度的低溫環境。
還要將量子電腦放到比地球磁場弱50000倍（基本相當於沒有磁場）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當於真空）的環境中，以保持量子狀態的穩定。
這些都是通過閉式迴圈冰箱實現的，它實現了0.015K（-273.135℃）的低溫環境。D-Wave的“乾燥”稀釋製冷機使用了液氦製冷劑。
溫度由頂端的室溫逐層遞減，直到QPU部分接近絕對零度。（50K：-223.15℃，4K：-269.15℃，1K：-272.15℃，100mK：-273.05℃，15mK：-273.135℃，絕對零度：-273.15℃）
關於QPU
D-Wave的QPU由容納著若干鈮制微型環的晶格組成，每個晶格是一個量子比特。在低於9.2K的溫度下，鈮會成為超導體並顯露量子力學效應。
在量子態下，電流會同時向兩個方向流動，這代表量子比特正處於疊加狀態，即同時處於“0”和“1”兩個狀態。在問題解決過程的最末端，這種量子疊加態會坍縮回“0”或“1”兩種狀態的其中一種。
實現由單個量子比特到多個量子比特組成的QPU的進步，需要量子比特間的互連以進行資訊交換。量子比特之間通過耦合器相連，後者同樣是超導體環。量子比特和耦合器之間的互連，和管控磁場的控制電路共同創造了一個可程式設計的量子元件的集成結構。
當QPU得到問題的解決方案時，所有的量子比特會在它們的最終狀態下穩定下來，而它們承載的數值將會以比特串的形式回饋給使用者。
D-Wave 2000Q系統最多能裝下2048個量子比特和5600個耦合器。為了實現這個規模，其使用了128000個約瑟夫遜結，這也讓D-Wave 2000Q的QPU在當時成為了有史以來最為複雜的超導積體電路。
D-Wave的系統耗能低於25千瓦，其中大部分用於製冷及操控前端伺服器。水冷系統的需求和一個廚房龍頭所能提供的水量相當，其所需的空調水準是同等規模系統的十分之一。
如今百萬億億次級的超算的耗能大概等同于胡佛水壩所製造的。
退火演算法
與經典的計算方法截然不同，D-Wave的量子電腦，運用量子退火演算法來解決問題，即利用真實世界中量子系統的天然傾向來尋找低功耗的狀態。
如果用一個高低不等的地形圖來代表最優解問題，地形圖上的每一個座標代表一種可能的解決方案，而每一點的海拔代表它的功耗，那麼最佳解決方案就在山谷最深處最低的那一點上。
計算過程通過將量子處理器（QPU）初始化至某一已知問題的基態，同時讓系統朝著待解決問題進行退火而完成，這也讓其在計算過程中能夠自始至終保持低功耗的狀態。(廣域尋找最低點)
計算結束後，每個量子比特都以“0”或“1”的狀態呈現，最終的狀態就會是待解決問題的最優解或近似最優解。
也有一段視頻推薦，同樣是英文原聲，查看方法同上~
如何程式設計
D-Wave 2000Q系統提供了一個標準的網路API（基於RESTful服務），其用戶端庫向C/C++、Python、MATLAB語言開放。
操作介面允許使用者將系統作為網路上的雲資源來接入，同時用戶也可以選擇將其整合進自己的高性能計算環境及資料中心中。
為了對系統進行程式設計，使用者得把要解決的問題，映射成在“廣域尋找最低點”的模型。使用者可以以多種不同的方式向系統提交問題。最終，問題將表現為一組數值，這組數值將與量子比特的權重和耦合器的強度相當。
系統會將這些數值和其他用戶指定的參數囊括在內，並向QPU發送一道QMI指令。問題的解決方案將會是量子比特所找到的最優配置，即“功耗地形圖”上的最低點。這些數值將被返回給網路上的使用者程式。
量子電腦是概率性的而非確定性的，因此返回給用戶的可能是多組數值，它不僅能提供系統尋找到的最佳解決方案，同時也提供其他可供選擇的優秀替代方案。使用者可以指定系統向自己發送解決方案的數量。
D-Wave系統旨在用於對古典電腦進行補充。有很多量子電腦可以協助高性能計算系統(HPC)的例子。另外，量子電腦非常合適離散優化，而HPC在大規模數值模擬中表現更好。
能力及應用
D-Wave的旗艦產品，是有2000量子比特的D-Wave 2000Q量子電腦，這是世界上最先進的量子電腦之一。這台電腦基於一個新型超導處理器，使用量子力學來大規模加速計算。
D-Wave 2000Q最適合解決許多領域中的複雜問題，例如：
· 優化
· 機器學習
· 抽樣/蒙特卡洛
· 模式識別和異常檢測
· 網路安全
· 圖像分析
· 財務分析
· 軟體/硬體核對總和確認
· 生物資訊學/癌症研究
D-Wave的首名客戶是國防工業承包商洛克希德馬丁。這是一家美國航空航太製造廠商，並以開發、製造軍用飛機聞名。Lockheed Martin購入了D-Wave的量子運算系統。
2013年，穀歌、NASA（美國航空航天局）和USRA(高校空間研究協會)共同創建了量子人工智慧實驗室，並在NASA的Ames研究中心安裝了D-Wave的量子電腦。科學家正在試圖探索量子計算的潛力以及在複雜問題處理上的適用範圍，如網頁搜索、語音辨識、規劃和調度、空中交通管制、對其他行星的機器人任務的支持和控制。
2015年，穀歌通過對硬體優化的基礎測試得到了結果。在D-Wave系統上運行任務顯示，“對於涉及近1000個二進位變數的計算中，可以看出量子電腦的性能完全優於傳統電腦。比傳統的單核類比電腦快了108倍”。
2016年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）申請到了用D-Wave系統研究量子退火技術的應用能力。目前科學家在不同的程式集上已經取得了進展。
好啦，量子計算仍然是一個非常前沿的領域，還沒有真正實現通用量子計算的程度。所謂的量子霸權，只不過是希望量子電腦有朝一日，能夠從性能上超過傳統的經典電腦。
一切都在快速發展，今天量子位就強行解釋到這。
==== 分隔線 ====
招聘
One More Thing…
還要將量子電腦放到比地球磁場弱50000倍（基本相當於沒有磁場）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當於真空）的環境中，以保持量子狀態的穩定。
這些都是通過閉式迴圈冰箱實現的，它實現了0.015K（-273.135℃）的低溫環境。D-Wave的“乾燥”稀釋製冷機使用了液氦製冷劑。
溫度由頂端的室溫逐層遞減，直到QPU部分接近絕對零度。（50K：-223.15℃，4K：-269.15℃，1K：-272.15℃，100mK：-273.05℃，15mK：-273.135℃，絕對零度：-273.15℃）
關於QPU
D-Wave的QPU由容納著若干鈮制微型環的晶格組成，每個晶格是一個量子比特。在低於9.2K的溫度下，鈮會成為超導體並顯露量子力學效應。
在量子態下，電流會同時向兩個方向流動，這代表量子比特正處於疊加狀態，即同時處於“0”和“1”兩個狀態。在問題解決過程的最末端，這種量子疊加態會坍縮回“0”或“1”兩種狀態的其中一種。
實現由單個量子比特到多個量子比特組成的QPU的進步，需要量子比特間的互連以進行資訊交換。量子比特之間通過耦合器相連，後者同樣是超導體環。量子比特和耦合器之間的互連，和管控磁場的控制電路共同創造了一個可程式設計的量子元件的集成結構。
當QPU得到問題的解決方案時，所有的量子比特會在它們的最終狀態下穩定下來，而它們承載的數值將會以比特串的形式回饋給使用者。
D-Wave 2000Q系統最多能裝下2048個量子比特和5600個耦合器。為了實現這個規模，其使用了128000個約瑟夫遜結，這也讓D-Wave 2000Q的QPU在當時成為了有史以來最為複雜的超導積體電路。
D-Wave的系統耗能低於25千瓦，其中大部分用於製冷及操控前端伺服器。水冷系統的需求和一個廚房龍頭所能提供的水量相當，其所需的空調水準是同等規模系統的十分之一。
如今百萬億億次級的超算的耗能大概等同于胡佛水壩所製造的。
退火演算法
與經典的計算方法截然不同，D-Wave的量子電腦，運用量子退火演算法來解決問題，即利用真實世界中量子系統的天然傾向來尋找低功耗的狀態。
如果用一個高低不等的地形圖來代表最優解問題，地形圖上的每一個座標代表一種可能的解決方案，而每一點的海拔代表它的功耗，那麼最佳解決方案就在山谷最深處最低的那一點上。
計算過程通過將量子處理器（QPU）初始化至某一已知問題的基態，同時讓系統朝著待解決問題進行退火而完成，這也讓其在計算過程中能夠自始至終保持低功耗的狀態。(廣域尋找最低點)
計算結束後，每個量子比特都以“0”或“1”的狀態呈現，最終的狀態就會是待解決問題的最優解或近似最優解。
也有一段視頻推薦，同樣是英文原聲，查看方法同上~
如何程式設計
D-Wave 2000Q系統提供了一個標準的網路API（基於RESTful服務），其用戶端庫向C/C++、Python、MATLAB語言開放。
操作介面允許使用者將系統作為網路上的雲資源來接入，同時用戶也可以選擇將其整合進自己的高性能計算環境及資料中心中。
為了對系統進行程式設計，使用者得把要解決的問題，映射成在“廣域尋找最低點”的模型。使用者可以以多種不同的方式向系統提交問題。最終，問題將表現為一組數值，這組數值將與量子比特的權重和耦合器的強度相當。
系統會將這些數值和其他用戶指定的參數囊括在內，並向QPU發送一道QMI指令。問題的解決方案將會是量子比特所找到的最優配置，即“功耗地形圖”上的最低點。這些數值將被返回給網路上的使用者程式。
量子電腦是概率性的而非確定性的，因此返回給用戶的可能是多組數值，它不僅能提供系統尋找到的最佳解決方案，同時也提供其他可供選擇的優秀替代方案。使用者可以指定系統向自己發送解決方案的數量。
D-Wave系統旨在用於對古典電腦進行補充。有很多量子電腦可以協助高性能計算系統(HPC)的例子。另外，量子電腦非常合適離散優化，而HPC在大規模數值模擬中表現更好。
能力及應用
D-Wave的旗艦產品，是有2000量子比特的D-Wave 2000Q量子電腦，這是世界上最先進的量子電腦之一。這台電腦基於一個新型超導處理器，使用量子力學來大規模加速計算。
D-Wave 2000Q最適合解決許多領域中的複雜問題，例如：
· 優化
· 機器學習
· 抽樣/蒙特卡洛
· 模式識別和異常檢測
· 網路安全
· 圖像分析
· 財務分析
· 軟體/硬體核對總和確認
· 生物資訊學/癌症研究
D-Wave的首名客戶是國防工業承包商洛克希德馬丁。這是一家美國航空航太製造廠商，並以開發、製造軍用飛機聞名。Lockheed Martin購入了D-Wave的量子運算系統。
2013年，穀歌、NASA（美國航空航天局）和USRA(高校空間研究協會)共同創建了量子人工智慧實驗室，並在NASA的Ames研究中心安裝了D-Wave的量子電腦。科學家正在試圖探索量子計算的潛力以及在複雜問題處理上的適用範圍，如網頁搜索、語音辨識、規劃和調度、空中交通管制、對其他行星的機器人任務的支持和控制。
2015年，穀歌通過對硬體優化的基礎測試得到了結果。在D-Wave系統上運行任務顯示，“對於涉及近1000個二進位變數的計算中，可以看出量子電腦的性能完全優於傳統電腦。比傳統的單核類比電腦快了108倍”。
2016年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）申請到了用D-Wave系統研究量子退火技術的應用能力。目前科學家在不同的程式集上已經取得了進展。
好啦，量子計算仍然是一個非常前沿的領域，還沒有真正實現通用量子計算的程度。所謂的量子霸權，只不過是希望量子電腦有朝一日，能夠從性能上超過傳統的經典電腦。
一切都在快速發展，今天量子位就強行解釋到這。
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