日前，谷歌推出的D-Wave量子計(jì)算機(jī)，號稱其解決問題的能力比其他任何計(jì)算機(jī)都快出一億倍。有人認(rèn)為是谷歌為奪人眼球，進(jìn)行商業(yè)炒作；也有人認(rèn)為谷歌制造出了量子計(jì)算機(jī)，是重大的技術(shù)進(jìn)步。

就在同一天，俄羅斯媒體稱，“中國用1塊金剛石建成世界首臺量子計(jì)算機(jī)......量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，這一結(jié)果代表了目前固態(tài)自旋體系量子操控精度的世界最高水平”。

那么，谷歌的D-Wave和中國基于金剛石研制的量子計(jì)算機(jī)，誰是世界第一臺量子計(jì)算機(jī)呢？

量子計(jì)算的基本原理

量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式。基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計(jì)算任務(wù)。

所謂量子位就是一個(gè)具有兩個(gè)量子態(tài)的物理系統(tǒng)，如光子的兩個(gè)偏振態(tài)、電子的兩個(gè)自旋態(tài)、離子（原子）的兩個(gè)能級等都可構(gòu)成量子位的兩個(gè)狀態(tài)——晶體管只有開/關(guān)狀態(tài)，也就是要么是0狀態(tài)，要么是1狀態(tài)；而基于量子疊加性原理，一個(gè)量子位可以同時(shí)處于0狀態(tài)和1狀態(tài)，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時(shí)，疊加的各個(gè)狀態(tài)都可以發(fā)生變化。

舉例來說，因?yàn)?個(gè)量子位同時(shí)表示0和1兩個(gè)狀態(tài)，2個(gè)這樣的量子態(tài)就可以同時(shí)表示4個(gè)狀態(tài)。N個(gè)量子位可同時(shí)存儲2的二次方N個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長。同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)操作一次可同時(shí)對2的二次方N數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)變換，這種并行處理數(shù)據(jù)的能力等效于電子計(jì)算機(jī)要進(jìn)行2的二次方N次方操作的效果......等于是一次演化相當(dāng)完成了2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計(jì)算機(jī)相對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢。

中國并沒有基于金剛石建成量子計(jì)算機(jī)

中國學(xué)者并沒有用金剛石做出量子計(jì)算機(jī)。而是把金剛石的一個(gè)碳原子由氮原子取代，外加氮原子旁邊的一個(gè)空位，組成了ＮＶ色心結(jié)構(gòu)，成為單自旋固態(tài)量子計(jì)算的載體。

（NV色心）

ＮＶ色心的空位中的未成對電子表現(xiàn)出自旋為１的性質(zhì)。當(dāng)使用５３２ｎｍ的綠光激發(fā)ＮＶ色心時(shí)，ＮＶ色心可以發(fā)出紅色熒光，熒光的零聲子線在６３７ｎｍ。通過５３２ｎｍ的激光激發(fā)后，可以以大于９０％的概率將ＮＶ色心制備到初始狀態(tài)，而且研究人員可以通過微波和射頻可以操控其狀態(tài)。

（晶體結(jié)構(gòu)和能級結(jié)構(gòu)）

相比于量子點(diǎn)、超導(dǎo)體系，ＮＶ色心電子自旋的相干性質(zhì)非常好——量子相干性是量子計(jì)算的前提，量子計(jì)算需要利用量子相干性才可以做計(jì)算，但每個(gè)量子比特都非常脆弱，很容易被環(huán)境退相干，使量子的相干性喪失，而且退相干的速度隨著體系的擴(kuò)大而呈指數(shù)增加，量子比特越多，退相干速度越快。

采用ＮＶ色心有以下優(yōu)勢：

一是通過離子束注入方法對金剛石注入氮離子以形成NV色心結(jié)構(gòu)的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。

二是單自旋量子比特。區(qū)別于NMR這類利用系綜自旋作為研究對象的方法，NV色心體系的研究對象為單電子自旋。

三是穩(wěn)定的熒光性質(zhì)以及單光子發(fā)射源。在強(qiáng)光長時(shí)間作用下，NV色心仍可能持續(xù)發(fā)出穩(wěn)定熒光。

四是較理想的退相干時(shí)間。在超純樣品中，甚至可以達(dá)到毫秒量級。

五是利用共聚焦系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)單自旋量子比特的初始化和讀出，易實(shí)現(xiàn)。

六是室溫下即可實(shí)現(xiàn)量子態(tài)制備、操縱和讀出。其他多數(shù)備選方案的實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻（比如谷歌D-Wave的低溫超導(dǎo)體對溫度要求非?？量蹋?，操縱技術(shù)指標(biāo)要求很高。在室溫即能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)的可行度。

要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，至少要滿足以下幾個(gè)條件：

量子計(jì)算機(jī)必須有可識別的定義明確的量子比特。量子比特可以分為物理比特和邏輯比特。通過糾錯(cuò)碼過程對數(shù)個(gè)物理比特做冗余，最后生成了一個(gè)邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯(cuò)特性。

量子計(jì)算機(jī)必須可以進(jìn)行可信的初態(tài)制備。

量子計(jì)算機(jī)必須具有較弱的退相干效應(yīng)。

量子計(jì)算機(jī)必須可以進(jìn)行精確的量子門操作。谷歌的低溫超導(dǎo)系統(tǒng)的操作精度和量子計(jì)算要求的單比特門和雙比特名精度差距甚遠(yuǎn)。

量子計(jì)算機(jī)必須建立非常強(qiáng)的量子測量機(jī)制。

就上述幾點(diǎn)ＮＶ色心體系皆已經(jīng)滿足——ＮＶ色心體系中包含一個(gè)自旋為１的電子自旋體系和多個(gè)核自旋，這些自旋都可以作為量子比特；ＮＶ色心體系中的電子自旋可以通過激光激發(fā)的方式制備到初始狀態(tài)，其周圍的核自旋可以使用動(dòng)力學(xué)核極化或者極化傳遞的方式進(jìn)行高保真度的初態(tài)制備；在氮含量低于５×１０^－９（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的超純凈金剛石中，ＮＶ色心電子自旋的退相干時(shí)間長達(dá)幾百微秒，核自旋的退相干時(shí)間長達(dá)幾十毫秒，并且經(jīng)過對ＮＶ色心電子自旋周圍的核自旋進(jìn)行純化后，電子自旋的退相干時(shí)間可以長達(dá)幾毫秒，甚至可以更長，相對于單個(gè)量子非門操作可達(dá)ＧＨｚ的速度來說，這些足以保證量子計(jì)算的高精度；目前ＮＶ色心體系的單個(gè)量子門操作精度已經(jīng)可以達(dá)到９９.99％以上（也就是俄羅斯媒體報(bào)道的最新技術(shù)突破）；ＮＶ色心體系對單電子和單核自旋的sｉｎｇｌｅ－ｓｈｏｔ測量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

看不懂的直接看結(jié)論——

因此，ＮＶ色心體系滿足成為量子計(jì)算機(jī)載體的最基本的要求，成為一個(gè)優(yōu)秀的量子計(jì)算機(jī)載體候選者。

而俄羅斯媒體報(bào)道的杜江峰研究組最新科研成果是在傳統(tǒng)的糾錯(cuò)碼下達(dá)到了非常高的操作精度，量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求。

要構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)，下一步的工作就是系統(tǒng)擴(kuò)展，把成百上千的邏輯比特都達(dá)到滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度，那量子計(jì)算就可以實(shí)現(xiàn)了。但系統(tǒng)擴(kuò)展難度非常大，建成量子計(jì)算機(jī)任重道遠(yuǎn)。因此，雖然杜江峰研究組確實(shí)取得了關(guān)鍵技術(shù)突破，但俄媒報(bào)道“中國學(xué)者基于金剛石建成世界首臺量子計(jì)算機(jī)”顯然是夸大其詞。

谷歌的“快一億倍”，靠譜嗎？

標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)是具有普適性的計(jì)算機(jī)，可以運(yùn)行各種各樣的算法，類似于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，用電路等效于圖靈機(jī)模型，可以把圖靈機(jī)的各種功能用電路來實(shí)現(xiàn)，電路有基本的門來構(gòu)成。而標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算機(jī)也是有這樣的一個(gè)概念，是由一系列基本的邏輯門來實(shí)現(xiàn)量子電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種算法功能。這種量子計(jì)算機(jī)被稱為具有普適性的量子計(jì)算機(jī)，而谷歌的量子計(jì)算機(jī)就沒有量子計(jì)算機(jī)對應(yīng)的門的概念。

那谷歌宣稱“解決問題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)都快出一億倍”是怎么回事呢？

退火的概念起源于金屬加工技術(shù)，指將金屬加溫到某個(gè)高于再結(jié)晶溫度的一點(diǎn)并維持此溫度一段時(shí)間，再將其緩慢冷卻。

谷歌的D-Wave是量子退火機(jī)，是利用量子場和一種優(yōu)化算法空間的相似性，用量子直接模擬這個(gè)優(yōu)化空間然后在物質(zhì)的最低能量點(diǎn)，而不是數(shù)學(xué)上的最低點(diǎn)。

由于量子力學(xué)在微觀層面上和宏觀層面上是有區(qū)別的，它可以穿透一些勢壘結(jié)構(gòu)——比如有一道高5米，厚0.1米的墻，要翻過去必須有不亞于PLA的身手。但量子力學(xué)層面，有一定的概率普通人可以直接穿墻。在經(jīng)典層面上，用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來模擬的話，就必須老老實(shí)實(shí)的去爬墻，而這就是造成D-Wave量子退火算法有非常大的加速，也是谷歌宣稱快1億倍的原因所在。

換言之，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只是針對特定環(huán)節(jié)，做特殊算法的計(jì)算機(jī)。谷歌的退火算法可以在特定的環(huán)節(jié)、特定的應(yīng)用中超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，但并不具有普適性。

所謂比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快1億倍，是拿一個(gè)專門選擇的特定問題上特定優(yōu)化的算法，去和配置不明的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的模擬退火算法比較。

誠然，不排除在特定環(huán)節(jié)、特定應(yīng)用中，谷歌D-Wave相對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有優(yōu)勢。但D-Wave并不具有普適性，而且超導(dǎo)系統(tǒng)操作精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到量子計(jì)算的要求。因此，D-Wave并非真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。

其實(shí)，在2014年1月13日，以美國加州大學(xué)的Martinis和Lidar教授為首的研究組，包括Google公司的研究人員，正式宣布：在503個(gè)量子比特的D-WaveTwo型的量子計(jì)算機(jī)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，沒有任何量子加速的證據(jù)。

MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)家和量子計(jì)算專家ScottAaronson認(rèn)為D-Wave是炒作高手，而且認(rèn)為D-Wave即使推出所謂1000位的量子計(jì)算機(jī)也不會有什么改變，因?yàn)檫@在原理上也不會再有量子加速的優(yōu)勢。

雖然不排除D-Wave在特定領(lǐng)域能夠發(fā)揮其作用，但拿根本不是量子計(jì)算機(jī)的量子退火機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬特定算法做比較，就宣傳“比其他任何計(jì)算機(jī)都快出一億倍”，難免有商業(yè)炒作的嫌疑。而國內(nèi)某些只求奪人眼球，卻不求事實(shí)真相的媒體更是以訛傳訛的宣傳“谷歌成功制造量子計(jì)算機(jī)”，更是給D-Wave添加了幾分商業(yè)炒作色彩。

金剛石做材料過于奢侈？

關(guān)于有網(wǎng)友認(rèn)為金剛石做材料太貴，其實(shí)鉆石高價(jià)格完全是戴比爾斯集團(tuán)這樣的壟斷集團(tuán)為獲取暴利人為抬高價(jià)格——最初時(shí)候，通過控制原產(chǎn)地、渠道、加工等環(huán)節(jié)牢牢把持了鉆石的利潤分配和價(jià)格。當(dāng)俄羅斯開始大賣鉆石無法控制原產(chǎn)地后，又通過品牌、營銷、渠道、加工、認(rèn)證等手法繼續(xù)把持產(chǎn)業(yè)鏈，使俄羅斯鉆石無法沖擊國際壟斷集團(tuán)的利益，繼續(xù)抬高鉆石的價(jià)格。而當(dāng)人造鉆石技術(shù)愈發(fā)成熟，品質(zhì)上已經(jīng)不遜于，甚至是優(yōu)于天然鉆石后，國際壟斷集團(tuán)又開始大肆貶低人造鉆石，熱捧天然鉆石......

其實(shí)，中國人造金剛石產(chǎn)量早已位居世界第一位，占全球產(chǎn)量的90%。這一方面是市場的巨大需求；另一方面是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的六面頂壓機(jī)和化學(xué)氣象沉積等設(shè)備及工藝逐漸成熟。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年，中國人造金剛石年產(chǎn)近100億克拉，年增長率21.45%。中國人造金剛石出口量近十年總量增加了14倍多，美國是中國人造金剛石的最大出口市場。照這個(gè)發(fā)展趨勢，當(dāng)產(chǎn)量進(jìn)一步擴(kuò)大，那么人造金剛石的成本有可能會進(jìn)一步下跌。而且相對于對溫度要求非常苛刻的低溫超導(dǎo)材料，人造金剛石的材料成本就顯得不再像一些人想象的那樣“奢侈”。

結(jié)語

谷歌之所以研究量子退火，而非標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)的原因是超導(dǎo)系統(tǒng)操作精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到量子計(jì)算的要求。同時(shí)，借助超導(dǎo)體系已有的相對成熟的超導(dǎo)電子學(xué)技術(shù)，谷歌可以比較容易集成數(shù)量較多的量子位。但選擇了這條路也意味著谷歌不存在用量子退火機(jī)“升級”，制造出量子計(jì)算機(jī)的可能性。

杜江峰研究組基于金剛石體系的固態(tài)量子計(jì)算是開創(chuàng)一個(gè)新體系，但其NV色心可集成性遠(yuǎn)不如量子點(diǎn)系統(tǒng)和超導(dǎo)系統(tǒng)，離建成真正的量子計(jì)算機(jī)還有相當(dāng)漫長的路要走。

因此，前者根本就不是標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，而后者雖然取得關(guān)鍵技術(shù)突破，但離真正建成量子計(jì)算機(jī)還尚需時(shí)日。

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