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中国量子计算原型机究竟怎么样? | 揭秘
时间:2019-11-17  来源:www.oaled.com

注:本文作者是铁流,雷锋网络的第一篇文章。

5月3日,世界上第一台基于单光子的量子模拟器超越了早期的经典计算机。该量子计算机由浙江大学潘建伟教授,陆朝阳教授,朱晓波教授和王浩华教授共同研发。

事实上,这并非中国首次公开取得量子计算成就。早在2015年,《中国科学报》就报道了中国科技大学杜江峰研究小组在固态自旋系统中实现了通用的容错阈值。子逻辑门,这个结果代表了世界上最高水平的固态自旋系统的量子操纵精度。研究结果于11月25日在Nature Communications上发表。

2016年,中央电视台报道称,中国的量子计算机取得了突破性进展。中国科技大学量子实验室已成功开发出半导体量子芯片和量子存储器。上个月,中国科学院院长白春礼院士透露,中国科学院正在开发中国第一台量子计算机,预计近年来将取得成功。

那究竟什么是量子计算?现在使用的经典电脑有哪些优点?这次发布的量子模拟器的性能如何?

经典计算机开发遇到瓶颈

在过去的几十年中,由于计算机技术的飞速发展,芯片集成和制造技术取得了长足的进步。然而,随着制造技术的进步,晶体管的栅极长度越来越小。同时,的副作用是它会缩短电子移动的距离,并且容易导致晶体管中的电子从负到正通过晶体管通道的硅衬底自发地移动。为了解决这个问题,已经开发了外国巨头SOI技术和鳍型场效应晶体管技术,通过在源极和漏极处掩埋强介电膜或增加绝缘层的表面积来增加电容,以防止电子跃迁,这使得摩尔定律继续存在。

然而,随着制造技术发展到7nm,如果晶体硅的栅极长度进一步缩短,将发生隧道效应。粒子快速穿过屏障并沿屏障侧移动。当动能小于势垒高度时,根据经典力学,粒子不可能穿过势垒。事实证明它仍有一定的概率穿透屏障。

例如,如果你面前有一个10米高的墙,根据经典力学,如果你找不到合适的工具,你就无法克服它。但对于微粒子,微粒子的波动可以直接穿过墙壁。正是隧道效应使得摩尔定律目前无效,而经典计算机的发展也处于瓶颈之中。经典计算机的发展逐渐遇到了一系列问题,如电力墙和通信墙。传统计算机的性能增长变得越来越困难。最典型的例子是CPU巨头英特尔。 2013年之后,英特尔的CPU性能增长相对有限,因此被网友嘲笑为“牙膏工厂”。不久前,已有20年历史的英特尔开发者论坛被取消。其中一个原因是它达到了性能上限。

随着经典计算机的发展遇到瓶颈,它是探索基于新物理原理的高性能计算技术的唯一途径。

量子计算的优点

量子计算机具有超级并行计算功能,远远超出了传统计算机。例如,如果寻求300位素因子,则估计当前的超级计算在超过十万年内完成,并且量子计算机原则上可以在短时间内完成。因此,量子计算在核爆炸模拟,密码分析,材料和微纳制造等领域具有突出的优势,是高性能计算领域公认的发展趋势。

中国科学院院长白春礼院士曾表示,使用价值十亿美元的天河二号超级计算机需要100年才能解决数十亿变量的等式。使用万亿次量子计算机来解决相同的方程组仅需0.01秒。

这次发布的两个量子计算原型的性能非常好

根据目前的情况,低温超导系统和量子点系统有更多的研究成果,已发表的研究成果也更多。

就量子点系统而言,中国暂时领先于西方国家。 2016年,中国科学技术大学量子实验室成功开发出由砷化镓材料制成的半导体量子芯片,实现了量子点(通过半导体工艺模拟原子能级的结构),以及逻辑位数是三。半导体量子芯片的精度达到90%。借助量子纠错码,量子芯片的精度也满足容错计算的准确性。相比之下,国外目前仍处于四个量子点码的两位,中国已达到该领域的国际领先水平。

会议上公开了两种量子计算原型,一种基于低温超导系统,另一种基于线性光学。两个量子计算原型都有10个量子比特。超过美国宇航局,加州大学圣塔芭芭拉分校和谷歌宣布的九个超导量子比特的高精度运算。

那么,这两个量子计算原型的性能呢?

虽然这两个量子计算原型符合标准的量子计算概念,但它们都是专用机器,而不是通用机器。超导系统用于求解线性方程;基于线性光学的原型用于进行Bose采样。

在性能方面,实验测试表明,原型的采样速度不仅比国际同类产品的采样速度快至少24,000倍。同时,与传统算法相比,它比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)快10至100倍。

换句话说,这两个量子计算原型在解决线性方程和Bose采样任务时仅比人类历史上第一个电子管计算机(ENIAC)和第一个晶体管计算机(TRADIC)更快。 10-100次。

因此,两个量子计算原型都是专用机器,而比较的对象是人类历史上第一个电子管计算机(ENIAC)和第一个晶体管计算机(TRADIC)。可以看出,这两个量子计算原型只是量子计算机发展的一小步。尽管未来ENIAC和TRADIC可能存在类似的历史地位,但在性能和多功能性方面过度夸大这两个量子比特原型的进展是不合适的。

与此同时,不可能使这两个量子计算原型贬值。毕竟,没有积累的步骤,没有数千英里,没有积累的小溪流,没有河流。只要我们继续技术突破,巩固技术储备,我们就能够创造出超越神威太湖能力的计算能力的量子计算机。

应该注意,与两个量子计算原型相比,实现了10个量子位的结果。中国研究团队的量子操作水平非常出色。这个量子计算机器运行一次,这相当于执行极其困难的操作。物理实验。制造和使用这种量子计算机器的能力需要非常高的操作水平。

因此,中国发布了两个具有10个量子比特的原型,这反映出在量子操作层面,中国研究团队一直处于暂时的领先地位。潘建伟的研究团队还计划到2017年底实现约20个光学量子比特。

结论

如前所述,目前的技术成就仍然很难从标准量子计算机实现,实际上比传统的经典计算机更好。中国科学院院长白春礼院士透露了中国正在开发的第一台量子计算机的计划。它尚未公开。但有迹象表明已经找到了前进的道路。我们还期望标准量子计算机的性能优于传统计算机。

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