为什么网上买不到量子计算机？

陆朝阳，中国科学技术大学教授、上海研究院执行院长。长期致力于量子信息和量子计算的研究，在《现代物理评论》、《自然》、《科学》等国际顶级期刊杂志发表论文140余篇，被引用28000余次。多自由度量子隐形传态工作入选英国物理学会Breakthrough of The Year，“九章”系列光量子计算原型机和实数量子力学检验的工作分别入选美国物理学会Highlights of The Year。曾获国家自然科学一等奖、首届科学探索奖和新基石研究员、美国光学学会阿道夫隆奖章、美国物理学会量子计算奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、全球华人物理学会亚洲成就奖。

Q：现在专用的量子计算机和通用的量子计算机的关系是怎样的？把各种功能的专用量子计算机集成起来，就是通用量子计算机吗？速度更快一点吗？

**A：**把量子计算机分为“通用”和“专用”，其实目前它们之间的界限并不是那么的清晰。比如说，谷歌这个实验用超导量子线路，把它叫做通用的，是因为它是用量子比特和逻辑门连接起来的，可以通过改变连接方式或不同的逻辑门来“重新组合”使它执行不同的操作。但问题是，谷歌目前的超导量子线路要真正体现出量子优势的话，目前又只能通过“随机线路取样”（Random circuit sampling）这一种专门的算法。另外，可以通过逻辑门来操作的，包括离子阱、超导、中性原子这些体系，其实也可以用来做专用的“量子模拟”。所以目前阶段这两者的区别不明显。

专用量子计算包括目前用玻色取样算法来做的光子的路线，以及用超冷原子光晶格、离子阱、超导线路等等来完成一个和特定哈密顿量演化关联的任务。很多时候，公众特别关注这两者的区别，可能出发点在于认为通用的什么事情都可以做。但是实际上在我的报告里面已经说了，即使一个通用的机器做出来，我们也只会用它去运行高计算复杂度的、相比经典计算机来说有优势的“特定的”问题。所以，总体上来说，我觉得专用和通用这两个都是非常重要的目标，名字不重要，解决问题最重要。专用的量子计算，假如能解决像高温超导这样的单个问题，这本身就是具有重大的经济价值和社会价值了。

Q：我们跟IBM相比较有什么优势？

**A：**IBM的物理体系和谷歌是一样的，但是它的技术发展路线跟谷歌又有所区别。谷歌一直是推着质量和数量一起往前走。所以在谷歌的新闻里面，量子比特数量并不是特别多，大部分时候比IBM要少，但是谷歌比较关注逻辑门精度方面的一些指标。IBM到现在也没有实现“量子计算优越性”，对任何一个问题都没有实现。IBM去年还是前年发表了一篇文章，题目宣称“Quantum Utility”（量子实用性）。但是那篇论文非常悲催，发表了一个月之后，就有国际同行的4篇论文Comment（挑战）它，证明了IBM解决的那个问题完全不需要超算去PK，用一个笔记本电脑几秒内就可以算出来。当然，IBM有可能是想把数量先垒上去之后，再把逻辑操纵的门的质量给做好。

Q：请问超导量子计算机和光量子计算机，这两个不同物理载体的技术在稳定性能和效率方面孰优孰劣？

**A：这两种技术目前都处于比较初步的阶段，都在努力提高量子比特的数量和质量，**不同点就是超导是在低温下的，以固态芯片的形式工作，通过很多微波线去控制它；光量子计算是在室温下，以单光子作为主要的介质，通过一些线性或者非线性的相互作用，用单光子探测器对它进行读取。

Q：关于去年Lukin的中性原子量子计算，有什么评价吗？今后的主流是否可能是中性原子？

**A：**中性原子特别在去年确实是异军突起，它和离子阱相比的一个优势是数量更容易扩展。在Lukin小组的实验里大概用到了300个左右的原子。在前两天放在arXiv的工作里，大概能够重排1000个原子。估计两年之内，数量可能会到1万个原子。所以原子数量的扩展是比较快的。另外，之前学术界担心中性原子逻辑门精度不够高，后来Lukin小组也做到了99.5％。它的一个更大的优势在于光镊原子的可移动性，可以相干的移动。量子比特如果是在固态体系，就像是你在班级里要给一个同学传一张纸条，如果你们在座位上不能动，你得让同学一个个传过去，就像逻辑比特得一个个门传过去。但是如果在下课时间，你就可以自己走过去把纸条给他，因为可以移动，所以在容错量子计算的资源消耗方面，大概可以带来10倍的节省。这是目前理论上的预测。

**但最终哪种体系最有前途还很难说。**中性原子也有自己的缺点，比如它比较容易丢失，特别是铷原子，它做门、做读取很容易丢掉。当然也有方法把它救回来。在Lukin小组的工作里面，他们其实没有做到严格的纠错。因为刚刚说的中性原子容易丢失的问题，他其实只做了最最简单的一个编码之后立刻读取的过程，所以中性原子跟超导相比，在纠错方面其实是落后不少的。Lukin他们非常聪明，把中性原子最好的优势以一个最容易的实验抢先演示出来。但是后面还有很多硬骨头需要啃的。所以我觉得这几个系统都会各自非常努力地往前走。

Q：现在有很多公司宣称做量子计算软件，这个和目前的研究有什么具体的联系吗？

**A：**因为我本身是做物理的，我可能比较倾向于“第一性原理”思考。我们可以回想一下，最初在做经典计算机的时候，为什么需要软件。这是因为对经典计算来说，通过半导体工艺一下子可以印刷出几百万个、几千万个甚至几亿个晶体管，经典比特。这里，硬件是很便宜的，所以，要通过发展软件，把这几亿个晶体管组织好，让它们去做某个任务，就像将军指挥打仗一样。

当我们再把这个概念移植到量子计算上，就会发现，我们目前量子比特只有“物理比特”，没有“逻辑比特”。首先我们得思考先怎么把物理比特操纵好，因为一般软件处理的都是逻辑比特（不会发生错误的0和1）。对量子计算来说，我们现在最多只有几百个物理比特，这种情况叫做hardware expensive，硬件昂贵，实际作战的时候对管理的软件并没有很高的要求。

所以我们要想的是，即使要做量子软件，也是怎么样让这个软件能够更好地服务物理比特，服务硬件。我觉得不能简单地套用，搞一个量子软件，搞一个量子操作系统，但是物理本质的底层问题都没有去解决。这有点像是提前去发展20年之后需要的一些东西，这些东西不是阻碍我们发展量子计算最困难的问题。量子软件绕开了当前最困难的问题，去做更简单的问题。

Q：来之前我在淘宝和京东上搜了量子计算机或者跟量子有关的电子消费品，没有搜到量子机器人、量子计算机等电子消费品，所以我想问的是，限制量子计算机成为我们日常使用的电子产品的瓶颈到底在哪里？它为什么不能像可穿戴的电子设备这样被普及？

A：对于量子计算来说，我觉得还比较遥远，因为首先我们现在致力于建造出一个不管什么形态，不管占地多少，只需要能展示出对特定有用的问题强大的算力的量子计算机，用它来取代一部分的超算，能耗要低很多。我觉得这是量子计算机产生的一个最初的形态，所以它可能也是作为一种云计算的方式，作为一种算力的租赁形式来出现，当然也可以拿到淘宝上租赁，比如我们有个问题算不清楚，可以让淘宝商家算出来，再将结果反馈给我们。感谢你打开了我们的思路。