“量子霸權(quán)”難實(shí)現(xiàn)：很難造出真正有用的量子計(jì)算機(jī)

北京時(shí)間1月7日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，谷歌曾在2019年秋天宣布，其量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目前最頂尖的超級(jí)計(jì)算機(jī)，可見(jiàn)“量子霸權(quán)”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而IBM公司迅速表示反對(duì)，稱自己的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)不僅計(jì)算速度與谷歌的量子計(jì)算機(jī)差不多，而且真實(shí)性秒殺谷歌，因此人們應(yīng)該用“懷疑的眼光”看待谷歌此次發(fā)布的聲明。

量子計(jì)算已經(jīng)不是第一次遭到質(zhì)疑了。去年，法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)的理論物理學(xué)家米切爾·達(dá)亞科諾夫（Michel Dyakonov）就在電子與計(jì)算機(jī)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(yuǎn)也不可能造出實(shí)用的量子超級(jí)計(jì)算機(jī)”列出了一系列理由。本文作者、俄克拉荷馬州立大學(xué)量子計(jì)算專家薩布哈什·卡克（ Subhash Kak）也認(rèn)為，由于硬件的隨機(jī)誤差難以避免，的確很難造出真正有用的量子計(jì)算機(jī)。

何為量子計(jì)算機(jī)？

要想理解為什么，首先要弄清量子計(jì)算機(jī)的工作原理，因?yàn)槠湓砼c經(jīng)典計(jì)算機(jī)有著本質(zhì)上的區(qū)別。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)利用無(wú)數(shù)個(gè)0和1來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，這些數(shù)字可以代表某個(gè)回路上不同點(diǎn)位處的電壓，但量子計(jì)算機(jī)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(shí)間既可能是0、也可能是1；量子比特還會(huì)相互糾纏，即使之間相隔甚遠(yuǎn)，也能共享相同的物理性質(zhì)。這種行為在經(jīng)典物理學(xué)的世界中是不存在的，一旦實(shí)驗(yàn)者試圖與量子態(tài)進(jìn)行互動(dòng)，這種疊加態(tài)就會(huì)立刻消失。

由于疊加態(tài)的存在，一臺(tái)擁有100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)給出2100種解法。在解決特定問(wèn)題時(shí)（如代碼破解類問(wèn)題），這種指數(shù)級(jí)別的并行計(jì)算無(wú)疑有著巨大的速度優(yōu)勢(shì)。

此外還有另一種量子計(jì)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(wèn)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(píng)家指出，這些系統(tǒng)的性能并不比經(jīng)典計(jì)算機(jī)出色。

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

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

許多公司都在盡全力打造量子計(jì)算機(jī)，包括因特爾、微軟、IBM等等。這些公司正在研制模擬經(jīng)典計(jì)算機(jī)電路模型的硬件。然而，目前的實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)只有不到100個(gè)量子比特，而要想真正具備計(jì)算能力，計(jì)算機(jī)必須要有數(shù)十萬(wàn)個(gè)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(cuò)誤糾正

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

計(jì)算機(jī)要想正常運(yùn)行，就必須能隨時(shí)糾正隨機(jī)出現(xiàn)的小錯(cuò)誤。在量子計(jì)算機(jī)中，這些錯(cuò)誤可能來(lái)自有問(wèn)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(wèn)題，量子比特之間的相干性就會(huì)迅速消失，因此計(jì)算時(shí)間必須比這段時(shí)間更短才行，而如果這些隨機(jī)錯(cuò)誤沒(méi)有得到糾正，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果就毫無(wú)價(jià)值可言了。

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

更嚴(yán)重的噪聲可以通過(guò)引入“冗余”來(lái)糾正。假設(shè)將0和1以000和111的形式傳輸，傳輸過(guò)程中就最多只有1個(gè)比特會(huì)出錯(cuò)，這樣一來(lái)，假如接收到的數(shù)字是001，就會(huì)被自動(dòng)糾正為0；而假如接收到了101，就會(huì)被糾正為1。

量子糾錯(cuò)碼是經(jīng)典計(jì)算機(jī)糾錯(cuò)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(fù)制，因此不能應(yīng)用冗余糾錯(cuò)法。其次，在糾錯(cuò)碼引入前輸入的數(shù)據(jù)中存在的錯(cuò)誤無(wú)法被糾正。

量子加密

盡管噪聲問(wèn)題是量子計(jì)算機(jī)面臨的重大挑戰(zhàn)，但對(duì)于量子加密來(lái)說(shuō)并非如此。因?yàn)樵诹孔蛹用芗夹g(shù)中，各個(gè)量子比特之間并沒(méi)有相干性，而單個(gè)量子比特與外界環(huán)境之間可以長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)的數(shù)字），密鑰就像一把保護(hù)數(shù)據(jù)的鑰匙，并且這套密鑰交換系統(tǒng)沒(méi)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(guò)，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(lái)說(shuō)，加密級(jí)別并不會(huì)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(guò)經(jīng)典協(xié)議進(jìn)行身份認(rèn)證，而這是整根鏈條中最薄弱的一環(huán)，因此整個(gè)加密系統(tǒng)的強(qiáng)度與現(xiàn)有系統(tǒng)并沒(méi)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(rèn)證流程，而這套流程本身也可以用于密鑰交換，并不會(huì)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(yuǎn)勝于現(xiàn)有技術(shù)的安全性，就必須將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到量子信息傳輸上。

商業(yè)規(guī)模量子計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)

假如能解決量子信息傳輸?shù)膯?wèn)題，量子加密技術(shù)還是很有前景的，但量子計(jì)算則不一定。糾錯(cuò)能力對(duì)普通的多功能計(jì)算機(jī)而言已經(jīng)如此重要，對(duì)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)更是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，因此，要想打造出商業(yè)規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)，只怕是難如登天。（葉子）

生成海報(bào)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來(lái)自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準(zhǔn)確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準(zhǔn)確性及可靠性，讀者在使用前請(qǐng)進(jìn)一步核實(shí)，并對(duì)任何自主決定的行為負(fù)責(zé)。本網(wǎng)站對(duì)有關(guān)資料所引致的錯(cuò)誤、不確或遺漏，概不負(fù)任何法律責(zé)任。任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁(yè)或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識(shí)產(chǎn)權(quán)或存在不實(shí)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)及時(shí)向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實(shí)情況說(shuō)明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細(xì)侵權(quán)或不實(shí)情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會(huì)依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實(shí)，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開(kāi)相關(guān)鏈接。