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量子计算机离实用还有多远?

在十九世纪初期,完美的经典物理学的大厦已经建成,人们甚至开始怀疑是否以后还需要物理学家。然而,还有“两朵乌云”无法解释,其中一朵就是黑体辐射的紫外灾难。为了解释这个现象,并结合上已有的对氢原子光谱等问题的研究,量子力学横空出世。百年之后,量子计算作为量子力学原理的一个应用,它的进展怎样,又将如何发展?

撰文 马雨玮

图片来源:人民资讯

01、什么是量子计算机?

量子力学指出,在微观世界,能量是离散化的。这感觉就是你不停的用显微镜放大斜面,最后发现所有的斜面都是由一小级一小级的阶梯组成。“量子”这个词也起源于这个概念。“量子”并不是某种粒子,它指代的是微观世界中能量离散化的现象,这个概念与宏观世界中的“经典”、“连续”相对应。

量子计算机是指应用量子力学的原理进行计算的计算机。作为对应,我们日常生活中常用的电脑被称为经典计算机。经典计算机使用数字信号0和1进行计算,一个0或1被称为一位或一个比特。学过数电的同学都知道,这一个比特是通过芯片中晶体管的开关来定义的。而量子计算机对应的使用量子比特|0>和|1>进行计算,它可以由原子中的两个电子能级或者超导电路中的两个震荡模式来定义。与经典比特的非0即1不同,量子比特可以处于量子叠加态a|0>+b exp(iφ)|1>上。又因为量子力学对a和b有归一化的要求,a²+b²=1,所以可以粗略地认为用两个实数b/a和Φ就能够描述一个量子比特。更进一步,如果有两个量子比特,他们可以处在叠加态a|00>+b exp(iφ_1) |01>+ceiΦ2|10>+deiΦ3|11>上,描述它所需要的实数变为6个。可以发现,为了描述一个多比特的量子态,所需要的实数是指数增加的,这也使得经典计算机很快就无法模拟一个几十个比特的量子计算机。而量子计算机则可以很轻松的通过一些量子门电路来操作这个量子态,这也成为了量子计算机优势的来源。简单的想,如果需要知道一个自变量为n个经典比特的函数f的性质,经典计算最差的情况需要将所有可能的输入都算一遍,从f(00…0)算到f(11…1),需要算2ⁿ次。而量子计算可以直接算一个叠加态|00…0>+…+|11…1>,就可以获得一个所有结果的叠加态|f(00…0)>+…+|f(11…1)>,里面拥有这个函数f的全部信息。利用了量子叠加这种量子力学所独有的特性,量子计算可以在某些问题上指数级的超越经典计算。

02、公众、媒体看待量子计算机的误区

2.1量子计算的能力范围

上帝虽然赋予了量子力学“可叠加”的特性而使计算性能的指数级提升成为可能,那么它又赋予的“测量塌缩”的特性则是给量子计算增加了一重限制。还是刚才的例子,虽然我们已经得到了一个拥有所有信息的量子态|f(00…0)>+…+|f(11…1)>,但如果直接测量,会使我们测到其中一个结果并破坏这个量子态,使它无法继续使用。这样的话,量子计算就和经典计算无异,我们依旧需要不停的制备这个量子态并不停地测量,而需要的次数也和经典计算相同。因此,制备完量子态与测量之间还需要一个步骤,将想要的信息从量子态中提取出来。这个步骤可以通过量子门把原本的量子态转化成一个“容易测到想要性质”的状态,从而让输出结果大概率得到你想要的结果。这个步骤比较有技术含量,量子傅立叶变换就是其中一个常用的操作。还有一个有技术含量的地方,之前没有提到,就是如何通过量子门来制备对应函数的量子态|f(00…0)>+…+|f(11…1)>。如果知道函数,那刚才的问题就没有意义;即使是知道,构造对应函数的量子门也绝不是一件容易的事。目前的很多量子算法是假设这个对应函数的量子门是已经存在的(这种量子门被称为Oracle),回避了这个问题。那么有没有已知的量子算法,既给出了算法的量子门构造,又被证明比现有的经典算法有指数级的提升呢?有,但目前屈指可数。其中最著名的是Shor算法,它能够用来分解一个大数的因数,如果能够实现,则会对现有的密码系统产生极大的威胁。可以说量子计算科技的萌芽与发展,就是为了实现Shor算法这个大目标而产生的。主流观点认为,分解大数这个问题在计算复杂度理论中属于NP问题,是经典计算难以解决的问题。Shor算法的提出表明量子计算机能够处理一部分的NP问题。但这个问题并不是NPC问题,能解决这个问题并不能表明量子计算机能够处理所有的NP问题。另一方面,目前也没有理论证明分解大数这个问题没有简单的经典计算算法。因此,量子计算机的真正能力范围还不明确。在未来,可能能够找到一个NPC问题能够被量子计算机处理,那样量子计算机将一步登天,拥有无限的价值;也有可能能够找到一个经典算法能够有效处理大数分解,那样量子计算机的地位将显著下降。而现在主流的观点介于两者之间:量子计算机能够确实能够处理一部分经典计算难以处理的问题,但不是所有。

而另一方面,量子计算机能够很容易的计算量子系统演化。这是个在日常生活中并不会遇到的问题,但在药物研究、量子化学等领域有着很大的需求。由于描述量子系统的变量随粒子数指数增加,经典计算很快就无法处理数十个上百个原子的大分子问题,而量子计算在处理这类问题时就有着天然的优势。这也逐渐成为量子计算的一个最接近实际的应用。

2.2量子计算机研究的实际进展与速度

图1 谷歌的sycamore处理器丨图片来自网络

如今实现量子计算的主流物理平台有两类:基于超导约瑟夫森结的超导系统,以及基于原子能级的离子阱系统。超导系统的发展从1999年开始,而离子阱更早一些。到现在,超导系统中量子比特数最多的是谷歌的sycamore处理器,已经达到53个,而离子阱的行业龙头是IonQ公司,它声称已经有超过一百量子比特的系统。从已经发表的论文来看,量子计算领域目前的最前沿是谷歌发表的展示“量子霸权”的论文[1]。这篇论文基于随机采样问题:随机选取量子门操作中的参数,比如对量子比特旋转的角度等,然后预测最终的测量结果。随着量子比特数与量子门操作数的增加,用经典计算预测最终的结果将变得越来越困难,而量子计算机依然可以和往常一样给出结果。最终的实验结果表明,在对53个量子比特同时进行一定数量的量子门操作后,量子处理器给出的结果保真度只有千分之一,意味着一千次计算中只有一次的结果是正确的。这是由于量子系统自身容易受环境噪声影响,也是量子计算领域发展的最大阻碍。然而即便如此,用现在最好的超级计算机给出相同保真度的结果也需要十万年!虽然之后有一些文章指出可以通过优化经典计算的算法来把这个时间压缩到几个月的量级,但和直接用量子芯片采样所需的几分钟时间相比还是要长上不少。这篇论文表明现在的量子芯片已经达到了经典计算难以模拟的程度,但如何利用这一点来让它变得有用则会变成下一个研究热点。

2.3量子计算机的发展趋势

这里主要讲一下超导量子计算的发展。二十年前,日本的实验室研究了世界上的第一个超导量子比特,当时超导比特的寿命只有几个纳秒;十年前,超导比特的数量到了几个,寿命也达到了十微秒的量级;而现在,最多的比特数量到了53个,而寿命最长的比特有一两百微秒。未来,量子比特的数量与寿命是否还能够以这个速度继续提升也是个未知数,不过大多数的公司的看法比较乐观。比如IBM公司就声称要在2023年做出有1121个量子比特的量子芯片[2]。而随着量子比特数的增多,如何利用这些容易出错、但计算空间又比经典计算大很多的芯片解决一些具体问题,可能是更重要的问题。目前已经有多篇论文尝试在这类芯片上执行一些算法,利用一些减少错误的技术,或是对噪声不那么敏感的算法,能够解决一些简单的问题,但目前还没有超越经典计算的能力范围,因此可以说目前量子计算还不构成经济效益。

图2 IBM的量子路线规划图丨图片来自网络

而为了克服出错的问题,就必须使用量子纠错。而这消耗的资源就更多了,以目前最好的量子门保真度估算,若要实现Shor算法,需要将数千个量子比特(物理比特)编码成一个逻辑比特。而分解一个2的2000次方的大数,理论预计需要两亿个物理比特。而现在控制一个物理比特的仪器成本约为一万美元左右,因此如果现在强行建造一个通用量子计算机,简单的相乘给出成本约为两万亿美元左右,大约为一个苹果公司的市值。而这和目前量子计算机所能解决的有限问题所带来的商业价值并不相符。如果能将量子门的错误率减少一个量级,那么理论所需要的物理比特数将大幅减少。因此量子计算的发展应该循序渐进,一边增加量子计算机的比特数和量子门保真度,一边寻找量子计算更多可能的应用,由错误率较高的中型量子芯片逐步过渡到使用量子纠错的大型通用量子芯片。也许量子计算会在数年后逐渐在这个世界上发挥它的价值。

2.4量子计算和量子通信、量子材料、量子精密测量的区别与联系

量子计算、量子通信和量子精密测量都是由量子力学的原理启发,被认为可能应用于实用的新科技。量子计算如同刚才所说,利用了量子的叠加性原理可以加速部分问题的计算速度。量子通信利用的是量子态的不可克隆原理,从而能够从原理上实现通信的绝对保密。在中科大潘建伟院士的带领下,在这一领域我们处于世界的绝对领先。量子精密测量是利用了量子态对周围环境的敏感性,来对微小信号进行测量的技术。测出引力波的LIGO就利用了这种技术。不过,宽泛的来说,量子力学已经在不知不觉中进入我们的生活。比如激光,量子力学的原理确保了它的单色性和极强的相干性,现在从科研实验室到军事装备,再到学校的演讲台,都能看到它的身影。新材料的产生也离不开量子力学的理论指导,如现在各色LED材料以及量子点电视等等。

03、如何识破量子旗号的骗局

3.1量子波动速读、量子鞋垫、量子内衣

说了那么多量子计算,你应该也对量子的概念有了一些基本的感觉。识别量子骗局对你来说应该并不难。像“量子”+“日用品”的组合是经典骗局。这就和十几年前“纳米”一词流行起来一样,虽然是有应用纳米技术的材料,但也不会有人用纳米技术来生产衣服和被子。如果刚才所讲的东西你什么也没听懂,或者你只是过着日常生活的普通老百姓,那么最简单的方法就是不要相信任何代有“量子”的名词。这么说虽然有点过分,但随着“遇事不决,量子力学”的流行,市面上用“量子”的名号来忽悠人的要远多于用“量子”来干正事的人,而这些“正事”也远未到进入日常生活的时候,比如量子计算和量子信息等,这些技术还处在学术研究的阶段,不信这些对普通老百姓也不会有任何损失。而真正已经应用量子技术进入日常生活的,一般也不会用“量子”这个词,比如激光和LED。

 

图3 三星的量子手机丨图片来自网络

如果是准备迎接量子科技应用的有识之士,那么识破量子骗局的关键在于认清量子科技所带来的优势。通常来说,量子科技所带来的优势往往具有局限性,比如量子计算只能加速部分问题的计算,而量子保密通信也只能保证信息传输过程中,信息被编码为量子信息的时候绝对安全,但如果人想要接收某些信息,总是要将量子信息解码为经典信息,那么之后的过程就无法保证安全了。因此,接受某个新概念的时候,需要先认清量子科技在其中的作用,再判断这个作用对自己是否需要。举个例子,你可能听说三星推出了一款“量子手机”,那么首先需要判断手机里的哪部分使用了量子科技。通过查阅一些新闻报道[3],可以得知这个手机使用了量子的随机数发生器,这个以现在的科技水平确实能够实现。那么量子的随机数发生器的优势在于它生成的随机数是真随机,黑客无法用任何方法知道下一个将会生成什么随机数,这使得手机自身产生的密钥安全性得到了一定的保证。但这个密钥仍然是个经典密钥,仍然无法保证被加密过的信息是否会在传输到公网时被黑客解密。通信安全其实遵循木桶理论,整个通信过程的安全性取决于哪个环节最不安全。那么现在你应该对“量子手机”的优势有所了解,是否会为了这有限的安全性提升而为这个功能付费,就取决于你自己了。

3.2当前量子计算机是否形成产业?是否产生经济效益和社会效益?

正如刚才所说,量子计算现在发展到无法被经典计算模拟的阶段,但还没有找到一个实际的具体问题,能够被量子计算有效的解决,并超越经典计算。因此,可以说量子计算还没有产生经济效应,现在的产业规模还很小,主要是政府和一些大的科技公司看重未来的前景所做的投资。但在不久后的将来,随着理论和实验技术的提升和突破,我相信量子计算能够逐渐应用在一些实际问题上。

参考文献

[1] Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[2] https://www.ibm.com/blogs/research/2020/08/quantum-research-centers/

[3] https://tech.163.com/20/0514/13/FCJFG6NC00097U7R.html

作者简介

马雨玮,清华大学交叉信息研究院2016级博士生,师从孙麓岩副教授,研究方向为超导量子计算。其多项成果发表在Nature Physics、Physical Review Letters等顶刊。曾首次成功地演示了基于玻色二项式编码的量子纠错以及可容错量子门操作,是超导量子计算领域的重要进展。

本文经授权转载自微信公众号探臻科技评论”。编辑:李艳文、周圣钧、邱雨浩、梁骞予;审核:赵鑫、张可人



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