Google “快一億倍” 背後：量子計算到底是如何實現的？
日前，Google推出的D-Wave量子計算機，號稱其解決問題的能力比其他任何計算機都快出一億倍。有人認為是Google為奪人眼球，進行商業炒作；也有人認為Google製造出了量子計算機，是重大的技術進步。
就在同一天，俄羅斯媒體稱，“中國用1塊金剛石建成世界首台量子計算機......量子邏輯門精度達到了99.99%，這一結果代表了目前固態自旋體系量子操控精度的世界最高水平”。
那麼，Google的D-Wave和中國基於金剛石研製的量子計算機，誰是世界第一台量子計算機呢？
量子計算的基本原理
所謂量子位就是一個具有兩個量子態的物理系統，如光子的兩個偏振態、電子的兩個自旋態、離子（原子）的兩個能級等都可構成量子位的兩個狀態——晶體管只有開/關狀態，也就是要麼是0狀態，要麼是1狀態；而基於量子疊加性原理，一個量子位可以同時處於0狀態和1狀態，當量子系統的狀態變化時，疊加的各個狀態都可以發生變化。
舉例來説，因為1個量子位同時表示0和1兩個狀態，2個這樣的量子態就可以同時表示4個狀態。N個量子位可同時存儲2的二次方N個數據，數據量隨N呈指數增長。同時，量子計算機操作一次可同時對2的二次方N數據實現變換，這種並行處理數據的能力等效於電子計算機要進行2的二次方N次方操作的效果......等於是一次演化相當完成了2的N次方個數據的並行處理，這就是量子計算機相對於經典計算機的優勢。
中國並沒有基於金剛石建成量子計算機
中國學者並沒有用金剛石做出量子計算機。而是把金剛石的一個碳原子由氮原子取代，外加氮原子旁邊的一個空位，組成了ＮＶ色心結構，成為單自旋固態量子計算的載體。
（NV色心）
ＮＶ色心的空位中的未成對電子錶現出自旋為１的性質。當使用５３２ｎｍ的綠光激發ＮＶ色心時，ＮＶ色心可以發出紅色熒光，熒光的零聲子線在６３７ｎｍ。通過５３２ｎｍ的激光激發後，可以以大於９０％的概率將ＮＶ色心製備到初始狀態，而且研究人員可以通過微波和射頻可以操控其狀態。
（晶體結構和能級結構）
相比於量子點、超導體系，ＮＶ色心電子自旋的相干性質非常好——量子相干性是量子計算的前提，量子計算需要利用量子相干性才可以做計算，但每個量子比特都非常脆弱，很容易被環境退相干，使量子的相干性喪失，而且退相干的速度隨着體系的擴大而呈指數增加，量子比特越多，退相干速度越快。
採用ＮＶ色心有以下優勢：
要實現量子計算，至少要滿足以下幾個條件：
就上述幾點ＮＶ色心體系皆已經滿足——ＮＶ色心體系中包含一個自旋為１的電子自旋體系和多個核自旋，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的方式製備到初始狀態，其周圍的核自旋可以使用動力學核極化或者極化傳遞的方式進行高保真度的初態製備；在氮含量低於５×１０^－９（質量分數）的超純淨金剛石中，ＮＶ色心電子自旋的退相干時間長達幾百微秒，核自旋的退相干時間長達幾十毫秒，並且經過對ＮＶ色心電子自旋周圍的核自旋進行純化後，電子自旋的退相干時間可以長達幾毫秒，甚至可以更長，相對於單個量子非門操作可達ＧＨｚ的速度來説，這些足以保證量子計算的高精度；目前ＮＶ色心體系的單個量子門操作精度已經可以達到９９.99％以上（也就是俄羅斯媒體報道的最新技術突破）；ＮＶ色心體系對單電子和單核自旋的sｉｎｇｌｅ－ｓｈｏｔ測量已經實現。
看不懂的直接看結論——
而俄羅斯媒體報道的杜江峰研究組最新科研成果是在傳統的糾錯碼下達到了非常高的操作精度，量子邏輯門精度達到了99.99%，其單比特門精度已經滿足容錯計算的需求。
要構建量子計算機，下一步的工作就是系統擴展，把成百上千的邏輯比特都達到滿足容錯計算的精度，那量子計算就可以實現了。但系統擴展難度非常大，建成量子計算機任重道遠。因此，雖然杜江峰研究組確實取得了關鍵技術突破，但俄媒報道“中國學者基於金剛石建成世界首台量子計算機”顯然是誇大其詞。
Google的“快一億倍”，靠譜嗎？
標準量子計算機是具有普適性的計算機，可以運行各種各樣的算法，類似於經典計算機，用電路等效於圖靈機模型，可以把圖靈機的各種功能用電路來實現，電路有基本的門來構成。而標準的量子計算機也是有這樣的一個概念，是由一系列基本的邏輯門來實現量子電路，進而實現各種算法功能。這種量子計算機被稱為具有普適性的量子計算機，而Google的量子計算機就沒有量子計算機對應的門的概念。
那Google宣稱“解決問題時能夠比其他任何計算機都快出一億倍”是怎麼回事呢？
退火的概念起源於金屬加工技術，指將金屬加温到某個高於再結晶温度的一點並維持此温度一段時間，再將其緩慢冷卻。
由於量子力學在微觀層面上和宏觀層面上是有區別的，它可以穿透一些勢壘結構——比如有一道高5米，厚0.1米的牆，要翻過去必須有不亞於PLA的身手。但量子力學層面，有一定的概率普通人可以直接穿牆。在經典層面上，用傳統計算機來模擬的話，就必須老老實實的去爬牆，而這就是造成D-Wave量子退火算法有非常大的加速，也是Google宣稱快1億倍的原因所在。
換言之，Google的量子計算機只是針對特定環節，做特殊算法的計算機。Google的退火算法可以在特定的環節、特定的應用中超過傳統計算機，但並不具有普適性。
所謂比傳統計算機快1億倍，是拿一個專門選擇的特定問題上特定優化的算法，去和配置不明的傳統計算機上的模擬退火算法比較。
誠然，不排除在特定環節、特定應用中，GoogleD-Wave相對於傳統計算機具有優勢。但D-Wave並不具有普適性，而且超導系統操作精度遠遠達不到量子計算的要求。因此，D-Wave並非真正意義上的量子計算機。
其實，在2014年1月13日，以美國加州大學的Martinis和Lidar教授為首的研究組，包括Google公司的研究人員，正式宣佈：在503個量子比特的D-WaveTwo型的量子計算機上的實驗數據表明，沒有任何量子加速的證據。
MIT計算機科學家和量子計算專家ScottAaronson認為D-Wave是炒作高手，而且認為D-Wave即使推出所謂1000位的量子計算機也不會有什麼改變，因為這在原理上也不會再有量子加速的優勢。
雖然不排除D-Wave在特定領域能夠發揮其作用，但拿根本不是量子計算機的量子退火機和傳統計算機模擬特定算法做比較，就宣傳“比其他任何計算機都快出一億倍”，難免有商業炒作的嫌疑。而國內某些只求奪人眼球，卻不求事實真相的媒體更是以訛傳訛的宣傳“Google成功製造量子計算機”，更是給D-Wave添加了幾分商業炒作色彩。
金剛石做材料過於奢侈？
關於有網友認為金剛石做材料太貴，其實鑽石高價格完全是戴比爾斯集團這樣的壟斷集團為獲取暴利人為抬高價格——最初時候，通過控制原產地、渠道、加工等環節牢牢把持了鑽石的利潤分配和價格。當俄羅斯開始大賣鑽石無法控制原產地後，又通過品牌、營銷、渠道、加工、認證等手法繼續把持產業鏈，使俄羅斯鑽石無法衝擊國際壟斷集團的利益，繼續抬高鑽石的價格。而當人造鑽石技術愈發成熟，品質上已經不遜於，甚至是優於天然鑽石後，國際壟斷集團又開始大肆貶低人造鑽石，熱捧天然鑽石......
其實，中國人造金剛石產量早已位居世界第一位，佔全球產量的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權的六面頂壓機和化學氣象沉積等設備及工藝逐漸成熟。
據統計，2015年，中國人造金剛石年產近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。照這個發展趨勢，當產量進一步擴大，那麼人造金剛石的成本有可能會進一步下跌。而且相對於對温度要求非常苛刻的低温超導材料，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”。
結語
Google之所以研究量子退火，而非標準量子計算機的原因是超導系統操作精度遠遠達不到量子計算的要求。同時，藉助超導體系已有的相對成熟的超導電子學技術，Google可以比較容易集成數量較多的量子位。但選擇了這條路也意味着Google不存在用量子退火機“升級”，製造出量子計算機的可能性。
杜江峰研究組基於金剛石體系的固態量子計算是開創一個新體系，但其NV色心可集成性遠不如量子點系統和超導系統，離建成真正的量子計算機還有相當漫長的路要走。
因此，前者根本就不是標準量子計算機，而後者雖然取得關鍵技術突破，但離真正建成量子計算機還尚需時日。
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Google的量子計算機為什麼遭到專家的質疑？
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：鐵流
就在同一天，俄羅斯媒體稱，“中國用1塊金剛石建成世界首台量子計算機......量子邏輯門精度達到了99.99%，這一結果代表了目前固態自旋體系量子操控精度的世界最高水平”。
那麼，Google的D-Wave和中國基於金剛石研製的量子計算機，誰是世界第一台量子計算機呢？
量子計算的基本原理
引用量子計算是一種基於量子效應的新型計算方式。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算任務。
所謂量子位就是一個具有兩個量子態的物理系統，如光子的兩個偏振態、電子的兩個自旋態、離子（原子）的兩個能級等都可構成量子位的兩個狀態——晶體管只有開/關狀態，也就是要麼是0狀態，要麼是1狀態；而基於量子疊加性原理，一個量子位可以同時處於0狀態和1狀態，當量子系統的狀態變化時，疊加的各個狀態都可以發生變化。
舉例來説，因為1個量子位同時表示0和1兩個狀態，2個這樣的量子態就可以同時表示4個狀態。N個量子位可同時存儲2的二次方N個數據，數據量隨N呈指數增長。同時，量子計算機操作一次可同時對2的二次方N數據實現變換，這種並行處理數據的能力等效於電子計算機要進行2的二次方N次方操作的效果......等於是一次演化相當完成了2的N次方個數據的並行處理，這就是量子計算機相對於經典計算機的優勢。
中國並沒有基於金剛石建成量子計算機
中國學者並沒有用金剛石做出量子計算機。而是把金剛石的一個碳原子由氮原子取代，外加氮原子旁邊的一個空位，組成了ＮＶ色心結構，成為單自旋固態量子計算的載體。
（NV色心）
ＮＶ色心的空位中的未成對電子錶現出自旋為１的性質。當使用５３２ｎｍ的綠光激發ＮＶ色心時，ＮＶ色心可以發出紅色熒光，熒光的零聲子線在６３７ｎｍ。通過５３２ｎｍ的激光激發後，可以以大於９０％的概率將ＮＶ色心製備到初始狀態，而且研究人員可以通過微波和射頻可以操控其狀態。
（晶體結構和能級結構）
相比於量子點、超導體系，ＮＶ色心電子自旋的相干性質非常好——量子相干性是量子計算的前提，量子計算需要利用量子相干性才可以做計算，但每個量子比特都非常脆弱，很容易被環境退相干，使量子的相干性喪失，而且退相干的速度隨着體系的擴大而呈指數增加，量子比特越多，退相干速度越快。
採用ＮＶ色心有以下優勢：
引用一是通過離子束注入方法對金剛石注入氮離子以形成NV色心結構的技術已經趨於成熟。
二是單自旋量子比特。區別於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。
三是穩定的熒光性質以及單光子發射源。在強光長時間作用下，NV色心仍可能持續發出穩定熒光。
四是較理想的退相干時間。在超純樣品中，甚至可以達到毫秒量級。
五是利用共聚焦系統即可實現單自旋量子比特的初始化和讀出，易實現。
六是室温下即可實現量子態製備、操縱和讀出。其他多數備選方案的實驗條件比較苛刻（比如GoogleD-Wave的低温超導體對温度要求非常苛刻），操縱技術指標要求很高。在室温即能進行實驗，大大提高了實驗的可行度。
要實現量子計算，至少要滿足以下幾個條件：
引用
- 量子計算機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。通過糾錯碼過程對數個物理比特做宂餘，最後生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性。
- 量子計算機必須可以進行可信的初態製備。
- 量子計算機必須具有較弱的退相干效應。
- 量子計算機必須可以進行精確的量子門操作。Google的低温超導系統的操作精度和量子計算要求的單比特門和雙比特名精度差距甚遠。
- 量子計算機必須建立非常強的量子測量機制。
就上述幾點ＮＶ色心體系皆已經滿足——ＮＶ色心體系中包含一個自旋為１的電子自旋體系和多個核自旋，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的方式製備到初始狀態，其周圍的核自旋可以使用動力學核極化或者極化傳遞的方式進行高保真度的初態製備；在氮含量低於５×１０^－９（質量分數）的超純淨金剛石中，ＮＶ色心電子自旋的退相干時間長達幾百微秒，核自旋的退相干時間長達幾十毫秒，並且經過對ＮＶ色心電子自旋周圍的核自旋進行純化後，電子自旋的退相干時間可以長達幾毫秒，甚至可以更長，相對於單個量子非門操作可達ＧＨｚ的速度來説，這些足以保證量子計算的高精度；目前ＮＶ色心體系的單個量子門操作精度已經可以達到９９.99％以上（也就是俄羅斯媒體報道的最新技術突破）；ＮＶ色心體系對單電子和單核自旋的sｉｎｇｌｅ－ｓｈｏｔ測量已經實現。
看不懂的直接看結論——
引用因此，ＮＶ色心體系滿足成為量子計算機載體的最基本的要求，成為一個優秀的量子計算機載體候選者。
而俄羅斯媒體報道的杜江峰研究組最新科研成果是在傳統的糾錯碼下達到了非常高的操作精度，量子邏輯門精度達到了99.99%，其單比特門精度已經滿足容錯計算的需求。
要構建量子計算機，下一步的工作就是系統擴展，把成百上千的邏輯比特都達到滿足容錯計算的精度，那量子計算就可以實現了。但系統擴展難度非常大，建成量子計算機任重道遠。因此，雖然杜江峰研究組確實取得了關鍵技術突破，但俄媒報道“中國學者基於金剛石建成世界首台量子計算機”顯然是誇大其詞。
Google的“快一億倍”，靠譜嗎？
標準量子計算機是具有普適性的計算機，可以運行各種各樣的算法，類似於經典計算機，用電路等效於圖靈機模型，可以把圖靈機的各種功能用電路來實現，電路有基本的門來構成。而標準的量子計算機也是有這樣的一個概念，是由一系列基本的邏輯門來實現量子電路，進而實現各種算法功能。這種量子計算機被稱為具有普適性的量子計算機，而Google的量子計算機就沒有量子計算機對應的門的概念。
那Google宣稱“解決問題時能夠比其他任何計算機都快出一億倍”是怎麼回事呢？
退火的概念起源於金屬加工技術，指將金屬加温到某個高於再結晶温度的一點並維持此温度一段時間，再將其緩慢冷卻。
引用Google的D-Wave是量子退火機，是利用量子場和一種優化算法空間的相似性，用量子直接模擬這個優化空間然後在物質的最低能量點，而不是數學上的最低點。
由於量子力學在微觀層面上和宏觀層面上是有區別的，它可以穿透一些勢壘結構——比如有一道高5米，厚0.1米的牆，要翻過去必須有不亞於PLA的身手。但量子力學層面，有一定的概率普通人可以直接穿牆。在經典層面上，用傳統計算機來模擬的話，就必須老老實實的去爬牆，而這就是造成D-Wave量子退火算法有非常大的加速，也是Google宣稱快1億倍的原因所在。
換言之，Google的量子計算機只是針對特定環節，做特殊算法的計算機。Google的退火算法可以在特定的環節、特定的應用中超過傳統計算機，但並不具有普適性。
所謂比傳統計算機快1億倍，是拿一個專門選擇的特定問題上特定優化的算法，去和配置不明的傳統計算機上的模擬退火算法比較。
誠然，不排除在特定環節、特定應用中，GoogleD-Wave相對於傳統計算機具有優勢。但D-Wave並不具有普適性，而且超導系統操作精度遠遠達不到量子計算的要求。因此，D-Wave並非真正意義上的量子計算機。
其實，在2014年1月13日，以美國加州大學的Martinis和Lidar教授為首的研究組，包括Google公司的研究人員，正式宣佈：在503個量子比特的D-WaveTwo型的量子計算機上的實驗數據表明，沒有任何量子加速的證據。
MIT計算機科學家和量子計算專家ScottAaronson認為D-Wave是炒作高手，而且認為D-Wave即使推出所謂1000位的量子計算機也不會有什麼改變，因為這在原理上也不會再有量子加速的優勢。
雖然不排除D-Wave在特定領域能夠發揮其作用，但拿根本不是量子計算機的量子退火機和傳統計算機模擬特定算法做比較，就宣傳“比其他任何計算機都快出一億倍”，難免有商業炒作的嫌疑。而國內某些只求奪人眼球，卻不求事實真相的媒體更是以訛傳訛的宣傳“Google成功製造量子計算機”，更是給D-Wave添加了幾分商業炒作色彩。
金剛石做材料過於奢侈？
關於有網友認為金剛石做材料太貴，其實鑽石高價格完全是戴比爾斯集團這樣的壟斷集團為獲取暴利人為抬高價格——最初時候，通過控制原產地、渠道、加工等環節牢牢把持了鑽石的利潤分配和價格。當俄羅斯開始大賣鑽石無法控制原產地後，又通過品牌、營銷、渠道、加工、認證等手法繼續把持產業鏈，使俄羅斯鑽石無法衝擊國際壟斷集團的利益，繼續抬高鑽石的價格。而當人造鑽石技術愈發成熟，品質上已經不遜於，甚至是優於天然鑽石後，國際壟斷集團又開始大肆貶低人造鑽石，熱捧天然鑽石......
其實，中國人造金剛石產量早已位居世界第一位，佔全球產量的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權的六面頂壓機和化學氣象沉積等設備及工藝逐漸成熟。
據統計，2015年，中國人造金剛石年產近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。照這個發展趨勢，當產量進一步擴大，那麼人造金剛石的成本有可能會進一步下跌。而且相對於對温度要求非常苛刻的低温超導材料，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”。
結語
Google之所以研究量子退火，而非標準量子計算機的原因是超導系統操作精度遠遠達不到量子計算的要求。同時，藉助超導體系已有的相對成熟的超導電子學技術，Google可以比較容易集成數量較多的量子位。但選擇了這條路也意味着Google不存在用量子退火機“升級”，製造出量子計算機的可能性。
杜江峰研究組基於金剛石體系的固態量子計算是開創一個新體系，但其NV色心可集成性遠不如量子點系統和超導系統，離建成真正的量子計算機還有相當漫長的路要走。
因此，前者根本就不是標準量子計算機，而後者雖然取得關鍵技術突破，但離真正建成量子計算機還尚需時日。
推薦閲讀：
Google的量子計算機為什麼遭到專家的質疑？
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：鐵流