“量子霸權(quán)”難實現(xiàn)：很難造出真正有用的量子計算機

北京時間1月7日消息，據(jù)國外媒體報道，谷歌曾在2019年秋天宣布，其量子計算機的計算速度遠遠超過了目前最頂尖的超級計算機，可見“量子霸權(quán)”已經(jīng)實現(xiàn)，而IBM公司迅速表示反對，稱自己的經(jīng)典超級計算機不僅計算速度與谷歌的量子計算機差不多，而且真實性秒殺谷歌，因此人們應該用“懷疑的眼光”看待谷歌此次發(fā)布的聲明。

量子計算已經(jīng)不是第一次遭到質(zhì)疑了。去年，法國蒙彼利埃大學的理論物理學家米切爾·達亞科諾夫（Michel Dyakonov）就在電子與計算機工程的旗艦期刊IEEE Spectrum上發(fā)表了一篇文章，從技術(shù)角度出發(fā)，就“我們?yōu)楹斡肋h也不可能造出實用的量子超級計算機”列出了一系列理由。本文作者、俄克拉荷馬州立大學量子計算專家薩布哈什·卡克（ Subhash Kak）也認為，由于硬件的隨機誤差難以避免，的確很難造出真正有用的量子計算機。

何為量子計算機？

要想理解為什么，首先要弄清量子計算機的工作原理，因為其原理與經(jīng)典計算機有著本質(zhì)上的區(qū)別。

經(jīng)典計算機利用無數(shù)個0和1來儲存數(shù)據(jù)，這些數(shù)字可以代表某個回路上不同點位處的電壓，但量子計算機使用的是量子比特，可以將它們想象成一系列具有振幅和相位的波。

量子比特的性質(zhì)非常特殊，它們可以以疊加態(tài)存在，即同一時間既可能是0、也可能是1；量子比特還會相互糾纏，即使之間相隔甚遠，也能共享相同的物理性質(zhì)。這種行為在經(jīng)典物理學的世界中是不存在的，一旦實驗者試圖與量子態(tài)進行互動，這種疊加態(tài)就會立刻消失。

由于疊加態(tài)的存在，一臺擁有100個量子比特的量子計算機可以同時給出2100種解法。在解決特定問題時（如代碼破解類問題），這種指數(shù)級別的并行計算無疑有著巨大的速度優(yōu)勢。

此外還有另一種量子計算方法，名叫“量子退火”，指利用量子比特加速解決優(yōu)化類問題。加拿大的D-Wave Systems公司就打造了一系列采用量子比特的優(yōu)化系統(tǒng)，但有批評家指出，這些系統(tǒng)的性能并不比經(jīng)典計算機出色。

盡管如此，多家公司和國家政府仍然在量子計算領(lǐng)域投入了大量資金。歐盟制定了一項耗資11億美元的量子項目總計劃，美國的國家量子倡議法案提供了12億美元資金，用于在五年時間內(nèi)推動量子信息科學的發(fā)展。

破解加密算法是許多國家研究量子技術(shù)的有力動機，假如能成功掌握這門技術(shù)，就會在情報方面獲得巨大優(yōu)勢，除此之外，這些投資有力推動了基礎(chǔ)物理學的研究。

許多公司都在盡全力打造量子計算機，包括因特爾、微軟、IBM等等。這些公司正在研制模擬經(jīng)典計算機電路模型的硬件。然而，目前的實驗性系統(tǒng)只有不到100個量子比特，而要想真正具備計算能力，計算機必須要有數(shù)十萬個量子比特才行。

谷歌的Sycamore芯片需要放在低溫恒溫器中、保持低溫狀態(tài)。

噪聲與錯誤糾正

量子算法背后的數(shù)學原理已經(jīng)很清楚了，但技術(shù)方面仍存在巨大挑戰(zhàn)。

計算機要想正常運行，就必須能隨時糾正隨機出現(xiàn)的小錯誤。在量子計算機中，這些錯誤可能來自有問題的電路元件、或者量子比特與周圍環(huán)境之間的相互作用。一旦出現(xiàn)這些問題，量子比特之間的相干性就會迅速消失，因此計算時間必須比這段時間更短才行，而如果這些隨機錯誤沒有得到糾正，量子計算機的計算結(jié)果就毫無價值可言了。

在經(jīng)典計算機中，小規(guī)模噪聲可以利用所謂的“閾值”概念來糾正，類似于數(shù)字的四舍五入。以整數(shù)的傳輸為例，假設已知誤差值小于0.5，如果接收到的數(shù)字為3.45，就會被自動糾正為3。

更嚴重的噪聲可以通過引入“冗余”來糾正。假設將0和1以000和111的形式傳輸，傳輸過程中就最多只有1個比特會出錯，這樣一來，假如接收到的數(shù)字是001，就會被自動糾正為0；而假如接收到了101，就會被糾正為1。

量子糾錯碼是經(jīng)典計算機糾錯碼的泛化版，但兩者之間有著關(guān)鍵區(qū)別。首先，未知的量子比特不能被復制，因此不能應用冗余糾錯法。其次，在糾錯碼引入前輸入的數(shù)據(jù)中存在的錯誤無法被糾正。

量子加密

盡管噪聲問題是量子計算機面臨的重大挑戰(zhàn)，但對于量子加密來說并非如此。因為在量子加密技術(shù)中，各個量子比特之間并沒有相干性，而單個量子比特與外界環(huán)境之間可以長時間保持隔絕。利用量子加密技術(shù)，兩名用戶可以交換所謂的“密鑰”（通常是一串很長的數(shù)字），密鑰就像一把保護數(shù)據(jù)的鑰匙，并且這套密鑰交換系統(tǒng)沒有任何人可以破解。這類密鑰交換系統(tǒng)可用于衛(wèi)星與海軍軍艦之間的加密溝通。不過，在交換密鑰之后使用的真正加密算法仍屬于經(jīng)典算法，因此從理論上來說，加密級別并不會高于經(jīng)典加密方法。

量子加密技術(shù)已經(jīng)被用在了少數(shù)大額銀行交易中，但由于交易雙方必須通過經(jīng)典協(xié)議進行身份認證，而這是整根鏈條中最薄弱的一環(huán)，因此整個加密系統(tǒng)的強度與現(xiàn)有系統(tǒng)并沒有太大區(qū)別。銀行仍在使用以經(jīng)典加密方法為基礎(chǔ)的身份認證流程，而這套流程本身也可以用于密鑰交換，并不會損失系統(tǒng)的整體安全性。

因此，量子加密技術(shù)要想獲得遠勝于現(xiàn)有技術(shù)的安全性，就必須將重點轉(zhuǎn)移到量子信息傳輸上。

商業(yè)規(guī)模量子計算面臨的挑戰(zhàn)

假如能解決量子信息傳輸?shù)膯栴}，量子加密技術(shù)還是很有前景的，但量子計算則不一定。糾錯能力對普通的多功能計算機而言已經(jīng)如此重要，對量子計算機來說更是一項巨大挑戰(zhàn)，因此，要想打造出商業(yè)規(guī)模的量子計算機，只怕是難如登天。（葉子）

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