回顧剛剛過去的2017年，中國超算再次500強奪冠，但美國也在追趕，今年可能會公布2套性能180P的超算。同時，兩國在量子計算機的研制上，也都在取得突破，競爭激烈。量子計算領域去年最大的新聞，莫過于11月12日，IBM宣布取得的重大進展。IBM成功研發出20量子位的量子計算機，并成功建成并測試全球首臺50個量子比特的量子計算原型機。 

就在11月，中國的超級計算機神威太湖之光和天河二號再度蟬聯TOP500前兩名。有媒體隨即對IBM的量子計算機與神威太湖之光超算進行比較，認為IBM的量子計算機可以秒殺神威太湖之光。

那么，目前的量子計算機真的能和超級計算機這樣比較嗎？為什么中美等國在這兩個領域都在加緊投入研發？

IBM 50Q 系統

中美在量子計算機研發上相互追趕

近年來，中國和美國相繼在量子計算上取得突破，而且技術突破呈現你追我趕的態勢。

目前，量子計算有諸多的研究方向，比如低溫超導系統、量子點系統、離子阱、拓撲量子計算等。在多個方向上，中國科學家都取得了不錯的成績。

早在2015年，《中國科學報》就報道過：中國科學技術大學杜江峰研究組在固態自旋體系中實現了達到容錯閾值的普適量子邏輯門，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，研究成果發表在11月25日的Nature Communications上。

中國半導體量子芯片

在2016年，中國科技大學成功研發出半導體量子芯片。該量子芯片由砷化鎵材料制造，用半導體工藝做出模擬原子能級的結構實現量子比特，邏輯比特數量為3個。相比之下，國外目前還停留在四個量子點編碼的兩個比特水平，在該領域中國已經達到國際領先水平。

由于低溫超導系統具有較好的擴展性，更適合工業化生產，因而把低溫超導系統作為主攻方向的研究者更多一些。研究的人多了，自然技術成果也就多一些。

在2012年，R. J. Schoelkopf在超導線路中實現三比特的量子糾錯編碼。之后，美國航天航空局、加州大學圣芭芭拉分校、谷歌宣布實現的9個超導量子比特的高精度操作。

在2017年，中國科學技術大學等單位聯合研制了2臺量子計算機，一臺基于低溫超導系統，這臺量子計算機有10個量子比特，一舉超越美國航天航空局、加州大學圣芭芭拉分校、谷歌實現的9個超導量子比特紀錄。另一臺基于線性光學，達到5個量子比特。隨后，中國科學院院長白春禮院士透露，中科院正在研制中國首臺量子計算機，預計在最近幾年內有望研制成功。

IBM這次研發出20個量子比特的量子計算機和50個量子比特的原型機，則展示出IBM在量子計算領域的技術積累。

IBM20和50量子比特陣列

對于IBM在量子計算方面取得的成績，專家表示：“這對國際量子計算領域應該說是一個振奮的消息，IBM研發出50個量子比特的原型機說明超導方案還是目前看來最有希望的......其實，我們今年年中的時候就已經了解到IBM和谷歌今年年底都要宣稱50個量子比特的事......在量子計算方面，競爭非常激烈。也多虧競爭激烈，使得國內的相關計劃也進展快速，至少已經提前了2-3年......國內潘建偉院士這邊的超導方案做的最快，曾經在5月份超過谷歌之前保持的記錄。現在IBM領先了，后面估計谷歌要想辦法扳回一局，我們國內繼續加快研發進度......就目前看，美國取得了階段性領先”。

量子計算機只能解決特定領域問題

目前的量子計算機還存在一定的局限性。

量子比特分為物理比特和邏輯比特，對數個物理比特進行編碼后，才能得到1個邏輯比特。由于國際上沒有一家機構能實現一位邏輯比特的編碼，而實現不了編碼就不可能實現通用量子計算。

因此，目前的量子計算機只能做一些特定的任務，使用分為非常狹窄。就以IBM本次研發出的20量子比特量子計算機來說，它就只能解決一些特定的問題。

其實，不僅IBM的量子計算機，中國的量子計算機同樣只能解決少數特定問題。就以中國科學技術大學等單位聯合研制的光量子計算機來說，這臺機器是基于線性光學，把量子點當做單光子源來使用，而且可以實現光子糾纏操縱。

就用途來說，這臺光量子計算原型機只能用來做玻色取樣。而無法像經典計算機那樣實現通用計算。

基于超導量子處理器的線性方程解法演示

另一臺基于低溫超導系統的原型機其實也是專用機，只能用來做線性方程組求解。

因此，現階段的量子計算機還只是專用機，通用性還是非常有限的。

想要秒殺神威太湖之光還有很長的路要走

量子計算是一種基于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。由于量子計算一次演化相當于完成了2的N次方個數據的并行處理，這就是量子計算機相對于經典計算機的優勢。

中國科學院院長白春禮院士曾表示：使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

因此，量子計算機極大超越經典計算機的超并行計算能力，在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領域具有突出優勢，是新概念高性能計算領域公認的發展趨勢。

雖然量子計算機潛力巨大，但因為其巨大的潛力，就稱“IBM量子計算機秒殺神威太湖之光”就不太妥當了。

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神威太湖之光

首先，IBM的量子計算機還有待進一步完善，神威太湖之光卻是非常成熟的超算。量子計算機要想超越經典計算機，必須達到50個邏輯比特水平。而IBM只是研發出了50個物理比特的原型機，何況目前這個50個物理比特的樣品也還沒有測試結果，因而IBM還有一段路要走。

其次，目前的量子計算機只能解決特定的幾個問題，通用性非常有限，明顯遜色于神威太湖之光。

要建成比經典計算機性能更好的通用量子計算機，必須要達到50個邏輯比特，而從大家的實驗進展來看，實現多物理比特的任意糾纏會隨著比特數上升，技術難度呈現指數上升的趨勢。目前，國際上沒有一家機構能實現一位邏輯比特的編碼，就現今的技術水平而言，成功研發通用量子計算機還較為遙遠。正是因此，目前的量子計算機都是專用機，只能用來解決特定問題。

作為對比，神威太湖之光則具有較好的通用性，可以運行大量的應用。而且已經有“非線性地震模擬”、“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”先后榮獲戈登貝爾獎，這代表著中國在超算應用上達到國際頂尖水平。就解決的問題數量和通用性而言，神威太湖之光明顯處于優勢。

最后，即便建成了50個量子比特的量子計算機，也僅僅是在特定的計算問題上可以和普通超算比較了。但想要和超算中性能頂尖的神威太湖之光相比還是有一定差距。畢竟全球很多超算的性能尚不足神威太湖之光的百分之一。

即便如此，中外科學家在量子計算上取得的技術成果依然值得稱道。正如剛剛問世的火車跑得還不如馬車快，然而火車卻擁有巨大的發展潛力，這是馬車所不具備的。

量子計算機與經典計算機的關系也是類似。在贊許國外科研團隊取得技術突破的同時，我們也期待國內科研團隊能取得突破，再次實現對美國的階段性領先。