“Google“快一亿倍”背后：量子计算到底是怎么实现的？”

前几天谷歌推出的d-wave量子计算机，据说处理问题的能力比其他任何计算机都快1亿倍。 有人认为谷歌为了引人注目，在进行商业宣传； 有人认为谷歌制造量子计算机是一大技术进步。

同一天，俄罗斯媒体称:“中国用一颗钻石建造了世界上第一台量子计算机……量子逻辑门的精度达到99.99%，这一结果代表了当今固体自旋体系量子操纵精度的世界最高水平。”

那么，谷歌的d-wave和中国基于钻石开发的量子计算机，谁是世界上第一台量子计算机呢？

/ s2/ ]量子计算的基本原理

量子计算是一种基于量子效应的新计算方法。 基本原理是以量子比特为新闻代码和存储的基本单位，通过大量量子比特的控制演化来完成计算任务。

量子位是指具有两个量子态的物理系，包括光子的两个偏振态、电子的两个自旋态和离子(原子)的两个能级。 晶体管只有导通/截止状态。 也就是说，是0状态还是1状态。 另一方面，基于量子叠加性原理，一个量子比特是可能的，处于0状态和1状态，当当量子系统的状态发生变化时，叠加的各个状态发生变化。

例如，由于一个量化比特表示0和1这两个状态，所以如果有两个这种量化状态，则可以表示4个状态。 n个量化比特可以存储2的平方n个数据，数据量随n呈指数增长。 而且，量子计算机操作一次可以转换为2的平方n数据，这样的数据并行解决能力等同于电子计算机进行2的平方n次幂操作的效果......一次进化相当于完成了2的n次幂个数据的并行解决。 这就是量子计算机相对于经典计算机的特点。

中国学者没有用钻石制造量子计算机。 用氮原子置换金刚石的一个碳原子，再加上氮原子旁边的一个空位，形成NV色心结构，成为单自旋固体量子计算的载体。

( nv色心) ) )。

NV色心的空位的未对电子显示自旋为1的性质。 用532nm的绿光激发NV色心时，NV色心可以发出红色荧光，荧光的零声子线为637nm。 用532nm的激光激励后，有90%以上的概率可以将NV色心调制成初始状态，还可以通过微波和射频操作该状态。

〔晶体结构和能级结构〕

与量子点、超导系统相比，NV色心电子自旋的相干性非常好——量子相干性是量子计算的前提，量子计算需要利用量子相干性进行计算，但各个量子比特非常脆弱，容易受环境干扰，失去量子相干性。 另外，解除干扰的速度随着系数的扩大而呈指数函数增加，量化比特越多，解除干扰的速度越快。

NV使用NV色心有以下特征。

一是通过离子束注入法向金刚石注入氮离子形成nv色心结构的技术逐渐成熟。

二是单自旋量子比特。 与以nmr这样的系统综合自旋为研究对象的方法不同，nv色心系统的研究对象是单电子自旋。

三是稳定的荧光性和单一光子发射源。 即使强光长期作用，nv色心也有可能持续发出稳定的荧光。

第四个是理想的相干时间。 在超纯样本中，也会达到毫秒数量级。

第五，使用共焦点系统可以实现单自旋量子位的初始化和读出，容易实现。

六、室温下可以实现量子态的制备、操作和读出。 其他许多备选方案的实验条件比较苛刻，如谷歌低温超导体对温度要求非常严格。 操纵技术指标要求很高。 能够在室温下进行实验，大大提高了实验的可行性。

要实现量子计算，至少需要满足以下条件。

量子计算机需要由可识别的定义确定的量子比特。 量子比特可以分为物理比特和逻辑比特。 通过纠错码过程冗余了多个物理位，最后生成了逻辑位。 逻辑位具有很好的容错性。

量子计算机必须能够进行可靠的初始状态调制。

量子计算机需要弱的相干效应。

量子计算机必须能够进行正确的量子门操作。 谷歌低温超导系统的操作精度和量子计算要求的1位门和2位名精度的差别非常大。

量子计算机必须建立非常强的量子测量机制。

关于上述几点，NV色心系统都得到满足——NV色心系统包括自旋为1的电子自旋系统和多个核自旋，这些自旋可以是量子比特； NV色心系中的电子自旋可以用激光激发的方法制作到初始状态，其周围的核自旋可以用动力学核极化或极化传播的方法制作到保真度高的初始状态； 对于氮含量小于5×10^-9质量分数的超纯金刚石，NV色心电子自旋的相干性长达数百微秒，核自旋的相干性长达数十毫秒，但同时纯化了NV色心电子自旋周围的核自旋后，电子自旋的相干性 从单量子异质操作达到GHz的速度来看，这些足以保证量子计算的高精度，目前NV色心系单量子门的操作精度达到了99.99%以上()也就是俄罗斯媒体报道的最新技术的突破)； 基于NV色心系的单电子和单核自旋的单稳态测量已经实现。

不擅长的东西直接看结论——

因此，NV色心系将满足成为量子计算机载体的最基本要求，成为优秀的量子计算机载体候选人。

俄罗斯媒体报道的杜江峰研究组最新科研成果是，以前传来的纠错码达到了非常高的操作精度，量子逻辑门的精度达到了99.99%，其单位门电路的精度已经满足了纠错计算的诉求。

为了构建量子计算机，下一步是系统的扩展，只要成百上千的逻辑比特达到了满足容错计算的精度，其量子计算就可以实现。 但是，系统的扩展难度非常大，建设量子计算机非常重要。 因此，杜江峰研究组确实取得了重要的技术突破，但俄罗斯媒体报道“中国学者基于钻石建造了世界上第一台量子计算机”显然是夸张的。

标准的量子计算机是普适的计算机，可以执行各种算法。 就像经典的计算机一样，在电路中等效于图灵机模型，可以在电路中实现图灵机的各种功能。 电路有基本的门。 标准的量子计算机也有这样的概念，用一系列基本的逻辑门实现量子电路，进而实现各种算法功能。 这样的量子计算机被称为普适的量子计算机，但是谷歌的量子计算机没有量子计算机这个概念对应的门。

如何看待谷歌宣布“比其他任何计算机都能快1亿倍处理问题”？

退火的概念来源于金属加工技术，是指将金属加热到高于重结晶温度的温度，使其温度维持一段时间，然后慢慢冷却。

谷歌的d-wave是量子退火机，利用量子场和一种优化算法空之间的相似性，用量子直接模拟这个优化空之间后物质的最低能量点

量子力学在微观层面和宏观层面上是不同的，因此可以稍微穿透势垒结构。 例如，有高5米、厚0.1米的墙壁，要越过需要不亚于pla的手臂。 但是在量子力学的层面上，一定概率普通人可以直接穿墙。 在经典的层面上，要用之前流传下来的计算机进行模拟，就必须诚实地爬墙，这就是d-wave量子退火算法非常加速，谷歌声称速度快1亿倍的原因。

也就是说，谷歌的量子计算机只是比较特定部分，制造特殊算法的计算机。 谷歌的退火算法在特定环节、特定应用上可以超过以前流传的计算机，但不具有普遍性。

比以前流传的计算机快1亿倍，就是特意给选择的用户的问题带来特定的优化算法，与配置不明的以前流传的计算机上的模拟退火算法进行比较。

确实，谷歌网络的特点是以前流传的计算机，不会被排除在特定的环节、特定的APP领域之外。 但是，d-wave不是普适的，超导系统的操作精度远远不能满足量子计算的要求。 因为d-wave不是真正意义上的量子计算机。

其实，年1月13日，以美国加州大学的martinis和lidar教授为首的研究小组、谷歌企业的研究人员从503量子比特的d-wavetwo型量子计算机上的实验数据中，没有量子加速的证据

mit计算机科学家和量子计算专家scottaaronson认为，d-wave是炒房高手，d-wave出了所谓的1000位量子计算机不会有什么变化。 这是因为原理上量子加速的特征消失了。

虽然不能排除d-wave在特定行业中发挥其作用的可能性，但如果将非量子计算机的量子退火机与以前流传下来的计算机模拟的特定算法进行比较，就会普及到“比其他任何计算机都快1亿倍”，在商业上 只引起国内一些人关注、不实事求是的媒体以虚假宣传称“谷歌成功制造了量子计算机”，为d-wave增添了一些商业宣传色彩。

有网友说用钻石做材料太贵了，其实钻石的高价完全是像黛比集团这样的垄断集团为了获取暴利而人为地抬高了价格。 最初，通过控制原产地、路线、加工等牢牢掌握了钻石的利润分配和价格。 俄罗斯开始大量销售钻石，无法控制原产地后，通过企业品牌、营销、渠道、加工、认证等方法不断掌握产业链，俄罗斯钻石没有打击国际垄断集团的利益，导致钻石价格上涨， 当人造钻石技术越来越成熟，质量上已经不差，优于天然钻石时，国际垄断集团又开始轻视人造钻石，热切期待天然钻石……。

事实上，中国的人造钻石产量已经居世界首位，占世界产量的90%。 这一方面是市场的巨大诉求，另一方面拥有自主知识产权的六面顶压机、化学气象沉积等设备和技术日趋成熟。

据统计，2009年，我国人造金刚石年产近100亿克拉，年增长率为21.45%。 中国人造钻石出口量近十年来总量增长了14倍以上美国是中国人造钻石的最大出口市场 在这种快速发展趋势下，如果产量进一步扩大，人造钻石的价格可能会进一步下跌。 而且，相对于对温度要求非常严格的低温超导材料，人造金刚石的材料价格并不像想象中那么“奢侈”。

谷歌之所以研究量子退火而不是标准量子计算机，是因为超导系统的操作精度远远不满足量子计算的要求。 另外，通过超导系统现有的比较成熟的超导电子学技术，谷歌能够比较容易地整合数量较多的量子比特。 但是，选择了这条路，就意味着谷歌没有可能在量子退火机上“升级”，制造出量子计算机。

杜江峰研究集团基于金刚石体系的固体量子计算开创了一个新体系，但其nv色心的集成性远远不如量子点体系和超导体系，离真正的量子计算机的完成还有相当长的路要走。

因此，前者不是标准的量子计算机，后者取得了重要的技术突破，但距离实际建设量子计算机还有很长的时间。

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