如何看待中國科學家建成世界首台光量子計算機？

12-10

希望能得到從各種角度考慮的回答，提前謝謝各位答主爸爸~

潘組的成果可喜可賀，不過「建成首台光量子計算機」完全是瞎扯，因為既不是首台，也不是量子計算機。

你們媒體啊，還是要提高姿勢水平，不要總是喜歡弄個大新聞！

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首先我不直接做量子計算，但我們組很多其他人做，因而有一定的了解，另外經常有世界各地的人來我們組訪問，所以經常有和各種大牛討論的機會。

上周和某大牛吃飯，該大牛是馬克思普朗克某研究所的所長（馬克思普朗克學會大致相當於德國科學院），引用超過7萬次，h-index過百（100篇以上引用超過100的文章）。席間一個做量子計算的師兄問大牛對目前量子計算實驗的看法，大牛說：

「也許幾個月內我們就會在紐約時報上看到google研製成功可以實現「量子霸權」的「量子計算機」。我對此感到憂慮。媒體總喜歡弄個大新聞，給人造成我們很快就能研製出無所不能的量子計算機的假象。人們對此無比激動，迫切想買到量子計算機（比如D-wave）。而當他們買到之後，會發現這些所謂的量子計算機根本沒用（「useless」），然後他們會認為整個量子信息領域都是沒用的，然後我們的經費就沒了。。。

這些急需提高姿勢水平的媒體和一小撮別有用心的工程師會讓我們這些老老實實工作的科研人員背黑鍋。」

「你認為我們離真正有用的量子計算機大概多遠？」

「二三十年吧。我這麼說的原因是二三十年後我會退休，所以就算到時候造不出來有人找我問罪，我也無所謂了。」

解釋一下為什麼該大牛認為現在的「量子計算機」是沒用的。目前所謂的量子計算機並不是通用量子計算機（universal quantum computer）。通用量子計算機可以在上面進行編碼，所以可以寫各種程序，實現不同的功能。而目前的所謂「量子計算機」只是針對某一特定問題，比如D wave其實是量子退火機，只能實現某些optimization的運算。google所謂的49比特「quantum supremecy」只是能模擬經典計算機所無法模擬的某些過程，不是真正的量子計算。這次潘組做出的boson sampling與之類似，只不過是在不同系統上。

至於我們離真正有用的量子計算機還有多遠呢？

通用量子計算機大概需要這幾步：

1，實現足夠好的量子比特（qubit）和量子門（quantum gate），這一步基本問題不大，目前可以說基本做到。

2，實現可擴展的量子比特和量子門（scalability）。這一步難度非常大，把多個qubit 糾纏起來並準確操作的難度隨qubit數量指數上升，目前大部分研究組都還在這一步。

3，實現量子糾錯（quantum error correction），和容錯計算（fault tolerance）。這一步非常重要，可惜即使是理論上也還沒完成，實驗就更是十萬八千里了。

量子糾錯指如果你的機器出現了錯誤，要及時查出並糾正，否則得出錯誤的答案還不知道，這量子計算機就基本上沒用了。量子糾錯有如下難點：

a, 你不能直接測量qubit。比如你的態是a|0&>+b|1&>，假如發生了bit flip error (0-&>1,1-&>0)，變成b|0&>+a|1&>，經典物理允許你直接把a，b測出來，但是量子物理不行，你測出a，b等於直接退相干，這個qubit就廢了。所以就需要用3個物理qubit來編碼1個邏輯qubit，a|000&>+b|111&>。假設發生1個bit flip，我們可以測量以下4個算符：

P0=|000&>&<000|+|111&>&<111|, 沒有錯誤

P1=|100&>&<100|+|011&>&<011|, qubit1反了

P2=|010&>&<010|+|101&>&<101|, qubit2反了

P3=|001&>&<001|+|110&>&<110|, qubit3反了.

注意進行這些測量並不會得出a b的值，而且測量並不會改變原先的量子態，但是能得出哪個qubit反了，並進行相應的糾正。

b, 上面只是對bit flip error進行糾錯，簡寫做X error，還需要同時對Z error，也就是0+1-&> 0-1進行糾錯。我們可以用9個物理比特編碼1個邏輯比特

|0&>: (|000&>+|111&>)(|000&>+|111&>)(|000&>+|111&>)

|1&>: (|000&> -|111&>)(|000&> -|111&>)(|000&> -|111&>)

這裡省略了歸一係數。這是著名的Shor code，如果有一個X error 和一個Z error，可以通過進行某些集體測量檢查出是哪個qubit出了問題，並進行相應的糾正。

光是有QEC還不夠，還需要fault tolerant，即，邏輯量子門（對已經進行量子糾錯編碼的邏輯qubit進行操作）如果上一步出現了一個錯誤，下一步也最多只能有一個錯誤，否則錯誤越來越多，隨著邏輯門數量指數上升，根本改不過來。具有如此性質的邏輯門叫transversal gates。這裡只是給出大致的idea。目前還沒有設計出univeral+transversal gate set。universal gate set指能通過組合完成所有邏輯操作的一組gate，其中必須包含一個非Clifford gate，比如Pi/8或Toffeli gate，而上面的Shor code只是對Clifford gate 才是fault tolerant。

最接近達到目標的是15 qubit編碼一個邏輯qubit的3D color code，其中14個qubit是兩組2D color code，但是剩下一個qubit沒有被protect，對其進行操作的量子門不是fault tolerant，所以還需要其他更複雜的保護。總之，即使在理論上，我們也還沒有找到能實現通用量子計算的可行的方法。

目前大多數實驗，比如google 要做的用49個qubit證明「quantum supremcy」和bosom sampling，是在沒有quantum error correction的情況下，做一些實用性非常有限的特殊問題，證明這些不是量子計算機的機器，也能達到比經典計算機更好的效果（exponential speedup）。從某種意義上來說，這並不是研製通用量子計算機（UQC）中的一步，而是通往UQC大道上的一條岔路，除了技術積累之外，更多的是象徵性意義。

Google花大價錢雇了原USCB教授John Matinis團隊，短期內（如大牛所說二三十年）幾乎不可能帶來任何直接經濟效益，除了不想落後於競爭對手如IBM之外，更多的可能是追求廣告價值，通過媒體不斷炒作，弄各種大新聞，而且讓人認為google一直在做能推動歷史進程的cool stuff，並不斷取得進展。但事實上，至少在量子計算方面，他們離真正推動歷史進程還相差甚遠。（當然他們積極投身量子計算還是值得鼓勵的。）

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鑒於量子計算已經成為繼推翻相對論，量子力學測量問題，熱力學基本問題（製造永動機）之後的第四大民科集中營，我這裡再潑一盆冷水。

我曾和另一位做超導量子計算的大牛吃飯，席間談到量子計算機。（該大牛也是原UCSB教授，John Matinis的合作者，前些年被大價錢挖到芝加哥大學）。大牛直接說：D-wave之流明顯是useless，即使是通用量子計算機也是useless。原因如下：

1，量子計算機即使造出來也成本極高。為了避免dechoerence，量子計算機十有八九是要在極低溫環境下工作，而且體積會非常龐大，就像當年的ENIAC那樣，操作之需要上百個工程師，成本極高。而做到便攜化短期內幾乎不可能。

2，即使有了量子計算機，我們也沒有足夠的問題需要在量子計算機上算。量子演算法研究了20多年，只找到非常少的量子計算機會比經典計算機有巨大優勢（exponential speedup）的問題。

（該大牛自己做超導量子電路的原因是他覺得能用此做一些有意思的物理，比如non-classical state。另外我不完全同意他對量子計算機的看法）。

我引述這兩位業內領軍人物的觀點，並不是說目前的量子計算研究都是噱頭，事實上，我覺得技術積累還是非常有意義的，況且我老闆主要的經費來源就是量子計算，我實際上也是吃這碗飯的，不至於砸自己飯碗。但是我希望廣大不明真相的圍觀群眾能對量子計算有一個客觀的認識，不要跟著媒體往天上吹，省得牛皮吹炸了大家都不好看。

媒體還需要學習一個，為了吸引讀者眼球，標題和正文矛盾的微博都敢發。

標題：【比超級計算機還厲害！】

正文：【構建了世界首台超越早期經典計算機的單光子量子計算機。】

那麼作為對比的早期經典計算機又是什麼呢？

潘院士團隊的研究成果，已經以長文的形式在線發表於《自然光子學》，鏈接如下：

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html

從中我們可以看到，潘院士團隊對比的早期經典計算機是人類歷史上第一台電子管計算機(ENIAC)和第一台晶體管計算機(TRADIC)

根據潘院士團隊的論文：

ENIAC每秒可做5000次加法或357次乘法運算；
TRDIC每秒可做62500次加法或3333次乘法運算；

截自論文「High-efficiency multiphoton boson sampling」的SUPPLEMENTARY INFORMATION

從上圖中的表格和下圖的表格描述可以看出，潘院士團隊所建的光量子計算機，其計算能力確實遠超早期經典計算機，最快的案例是比ENIAC快220倍，

截自論文「High-efficiency multiphoton boson sampling」的SUPPLEMENTARY INFORMATION

那潘院士團隊的工作究竟牛不牛呢？

在我看來很牛，他們建成的計算機的計算速度不僅比之前最好的成果[17]加快至少24000倍。

[17] Loredo, J. C. et al. Boson sampling with single photon Fock states from a bright solid-state source. Preprint at https://arxiv.org/abs/1603.00054 (2016).

我博士研究領域是傳統無線通信，在量子計算機上是個外行。但我本科期間做過一點量子通信的小課題。在我看來，潘院士在量子通信方向是很厲害的，甚至可以說，把中國在量子通信方面的實力大大拉高。

所以說，雖然量子計算我不甚了解，但作為一個工學博士生，論文結論我還是看得懂的，《自然光子學》也是超一流的期刊，我也相信編輯和審稿人的眼光。所以這份工作肯定很牛，但至於有多牛，我就不了解了...也要看之後的進展。

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最後,我也想講一點對媒體宣傳的看法，中國人獨立做出了了不起的科研成果，值得褒獎。這種正能量的事迹，媒體也應該大力宣傳。

但切記不要捧殺。

潘院士團隊所建的光量子計算機，在超級計算機面前還是個小孩子，既無比較的可能性，也無比較的必要。

例如，居世界超算榜首的國產「神威·太湖之光」超級計算機，每秒可以執行9.3 億億次浮點運算。

所以希望媒體別亂說【比超級計算機還厲害】，不然希望越大失望越大。

人民日報微博所提【 量子計算利用量子相干疊加原理，計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長。 】，除了名詞翻譯的不太準確外，意思是對的，即計算能力隨量子數指數增長。例如，據潘院士說法，對「boson sampling」等特殊問題，一旦達到50個左右光子的糾纏，量子計算機的計算能力就能超過「天河二號」超級計算機。

但我想強調一下，提升量子數的難度不是線性的，可能也是指數級的...所以我個人還是有點悲觀。

總之，量子計算機的發展任重而道遠，並非一朝一夕，想真正超過同時期的電子計算機可能還需要幾十年，更別提超級計算機。

如果今天媒體就聽風就是雨，替科研工作者誇下海口，宣稱量子計算機即將超過超級計算機。這會誤導不少老百姓，如果老百姓等了十幾年，發現還根本沒有實用化和產業化，到時候老百姓罵的肯定不是媒體，而是科研工作者吃乾飯和騙經費。

http://weixin.qq.com/r/EDsCGsnEkpTtrY15924C (二維碼自動識別)

首先完全支持高票韓迪大大的回答，現在的媒體基本上對量子計算機這塊算是外行，標題看了簡直打臉，竟然和超算比較！！！震驚了！

量子計算機目前才只能算是發展到一個雛形的階段，它的出現一方面是為了解決摩爾定律遇到的瓶頸問題。

目前集成電路貌似已經快到了納米級別，我記得IBM公司於2013年就已經造出了22納米級別的處理器。我們來看一下最近十幾年處理器的發展：

所以說就目前的形式來看集成電路的線路刻畫密集程度已經逼近物理極限，那時電子在導線中移動產生的電磁效應將互相干擾，所以量子效應逐漸明顯。

這樣一來，如果摩爾定律成立，那麼在不久的未來，晶體管的尺寸將會達到單量子尺度，接下來，工程師們將進入一個完全未知的領域！這就直接導致了量子計算機的理念的誕生！

另外一方面，目前的經典計算機以及大家耳熟能詳的超算（如「太湖之光」）都是使用不可逆邏輯門電路，

這樣一來經典計算機的能耗與降溫就成了一個很大的問題，尤其是超級計算機！見圖：

是不是震驚了！！！

這也間接導致了量子計算機理念的誕生！

綜上兩個原因，人們想到了量子計算機的概念：

1、量子計算機將單個微觀粒子做為信息載體

2、使用量子可逆邏輯門構成可逆邏輯電路，可逆邏輯電路的能耗在理論上幾乎為零。

這樣一來就比較好地解決這兩個問題了。

接下來進行稍微深一點的科普。

1、定義

「量子計算機」是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

2、特徵

當某個裝置處理和計算的是「量子信息」，運行的是「量子演算法」時，它就是「量子計算機」。

3、起源

「量子計算機」的概念源於對「可逆計算機」的研究。研究「可逆計算機」的目的是為了解決計算機中的「能耗問題(散熱問題)」。

4、基礎理論

按照馮?諾伊曼的一個量子物理系統有三個主要部分：其量子態、其可觀察量和其量子動力學。

5、信息量子狀態化

能夠製備量子狀態，能夠存儲量子狀態，能夠操作量子狀態，能夠觀測量子狀態。

所以這就是量子計算機。

下面簡單說說它的可能前景：

1、經典計算機網路通信上的安全問題：依靠難解數學問題的加密技術已有相應的量子解密方法，信息安全很難保證。

比如現在常用的RSA演算法就有可能因為量子計算機的出現而失效！銀行賬戶的密碼可能形同虛設！

2、經典計算機解決非多項式困難問題上的困惑：追求問題最優解，大量非P類的難解問題不斷湧現，缺乏高效的解決問題的演算法。

NP hard問題中的一部分？

P是多項式級時間複雜度能找到解的問題，即所說的普通計算機能夠「有效解決」的問題；NP是多項式時間複雜度內可以驗證解的正確性的問題，但不一定能在多項式級時間複雜度內找到解；所有的NP問題都可以歸約到NPC問題，即一旦解決了一個NPC問題則所有NP問題隨之解決）。我們稱量子計算機能夠有效解決的問題為BQP類問題。

而目前的量子計算機發展確實初見雛形了，我國由於潘老闆及其團隊的存在，極大地促進了我國在量子計算機領域在全球的較為領先的地位，比如去年8月份發射的墨子號以及這台世界首台光量子計算機都證明了這一點。

而對於這台光量子計算機的計算能力，潘老闆已經說了是和早期經典計算機相比較，而不是和當今最先進的超級計算機相比較，事物的發展總是有個過程的，新事物不可能一出現就代替了舊事物的，這個哲學道理連我理工科的學生都懂的，這些學文科的媒體工作者還不知道嗎？所以我們量子安全通信研討課的老師上課常常吐槽這些姿勢水平不高的新聞工作者，哈哈哈！

未來量子計算機發展必定是迅猛的，雖然當下的量子計算機的計算能力或許都不如PC機，但據講在實驗中，有些問題上量子計算機的處理能力比經典計算機要強，而有些則不如。所以一時間經典計算機還不會被取代的。我們還是期待它的發展吧！

最後再來談談當今的新聞工作者，我只想引用他所說的話：「你們啊不要總想搞個大新聞，還是要提高自己的姿勢水平，我都替你們著急啊，真的!」

過百贊的話，答主周末再來科普一下，量子計算機的工作原理（下圖）QAQ！

一個巨大的坑，和可控核聚變比起來，可能還要更大些

看起來他們是想做這個事情https://arxiv.org/pdf/1608.00263.pdf 叫 Quantum Supremacy量子霸權

Google聲稱如果我們可以操縱50個量子比特，那麼我們可以設計一個實驗（大概是使用隨機的量子門，產生一個分布），這個分布用經典計算機在多項式時間裡是不能做的。強行用多項式時間，超級計算機模擬效果會非常差，因為這是個混沌系統，對誤差非常敏感。這樣子我們就實現了「量子霸權」---做了經典計算機不能做的事。Google聲稱他們很快就能做出來...

微信裡面那個實驗說的是「驗證了3光子，4光子，5光子波色採樣」，不知道是不是實現了3，4,5比特對應的實驗的意思...

潘院士要知道公眾號的營銷狗們每天都在網上胡說八道給他拉仇恨招罵，或許會特別傷心吧

最初的火車跑不過馬車，

但全新的驅動原理註定了火車的發展上限遠遠超過了馬車。

現在馬車已被歷史所淘汰。

我覺得我已經快要變成新文盲了_(′?`」 ∠)_

正在讀arxiv上那篇超導量子體系中十個比特的糾纏文章。。。前段時間開會聽了浙大王老師的報告。就是關於這個實驗的。
首先新聞文章的標題十分有問題。十個比特的糾纏並不能實現超越經典計算機的量子計算，最多算一個量子計算的模擬機器。真正的量子計算需要很多的操作步驟，製備糾纏只是其中一步，而這一步的保真度離真實的需求也很遠。
不管誰想把新聞做這麼大，都是不負責任的。可以適當展望，但不能過分吹噓。雖然這樣可以搶佔更多的科研經費，但是這樣做深深傷害了同行的利益，人家雖然沒你們做得好，但你的新聞吹這麼大，給人的感覺就是你們甩別人幾條街。這如果導致別人拿不到經費，是不是太霸道了？
記得好幾年前一個北大的同學在春晚直播時，突然在社交媒體上說磁單極子找到了，害得我年都沒過好，去下那篇標題黨文章看。。。。這心情都是類似的