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量子計算機是終極“紙老虎”


今年10月,谷歌宣布實現了量子霸權,這一成果旋即也招來了不少爭議。事實上,關於量子計算的質疑聲一直此起彼伏。近些年,谷歌、IBM、微軟等巨頭公司不斷加大對該領域的投入,競爭格外激烈,看誰能搶先將量子計算變為現實。但到目前為止,量子計算這場“馬拉松”,也只是前行了“一英里”,可謂前路漫漫。作為一位在量子計算領域工作過幾年的從業者,本文作者Subhash Kak卻提出了一個不甚樂觀的觀點:可行的量子超級計算機恐怕永遠無法變成現實。

就在幾個月前,谷歌公司自豪地宣布其成功證明了“量子霸權”——具體來講,他們證明了量子計算機在執行某些特定任務時,確實擁有遠超經典計算機系統的工作效率。 IBM方面迅速對此予以批評,認為經典超級計算機實際上完全能夠以極快的速度完成同一項計算任務,而且穩定性要高得多。從這個角度看,我們似乎有必要對谷歌給出的結論保持懷疑態度。

這也早已不是量子計算第一次遭到質疑。過去12個月以來,法國蒙彼利埃學院理論物理學家Michel Dyakonov就通過IEEE Spectrum(電子與PC工程頂級期刊)發表文章,通過一系列技術性陳述向人們證明,可行的量子超級計算機恐怕永遠無法變成現實。

那麼,我們到底該如何看待這場關於量子計算的爭論?

作為在量子計算領域工作過幾年的從業者,我個人認為,由於隨機錯誤總會不可避免地存在,真正實用的量子計算系統恐怕永遠不會出現。

量子計算機是什麼?

要回答這個問題,我們首先需要了解量子計算機系統的工作原理,至少意識到其與經典計算機系統存在本質上的區別。

經典PC設備用0和1兩個數位表示各類知識,而這些數值一般由電路中不同位置處的不同電壓決定。相比之下,量子PC中負責實現處理能力的部分通常被稱為量子比特。我們可以將量子比特想像成具有振幅及剖面的波。

量子比特具有一系列特殊的性質:它們以疊加狀態存在,在同一時間點上同時表現為0與1。另外,即使兩個量子比特之間相距很遠,也有可能相互保持糾纏,從而共享某種屬性。這些都是經典物理學從未考慮過的情況。最後,當實驗者與量子態交互時,疊加態將立即消失。

由於疊加態的存在,具有100量子比特的量子PC可以同時表示2100種可能性組合。對於某些特定問題,我們可以利用這種指數級別的並行性實現驚人的處理效率優勢。例如,在量子計算設備上,我們有望以遠低於當前水平的時耗破解某些代碼。

此外,量子計算當中還包含一類相對狹義的策略,被稱為“量子退火“——專門用來加快優化型問題。 D-Wave Technoogies這家來自加拿大的企業已經構建起利用量子比特實現優化目標的可行方法,但也有批評家認為這些方法的效率並不見得比經典計算機系統強。

無論如何,各大企業與國家都在量子計算領域砸下大量資金。中國已經開發了一套全新的量子分析設施,成本高達100億美元;歐盟則制定一項總價10億歐元(約合11億美元)的量子研究計劃。至於美國方面,根據《全國量子倡議法案》,將投入12億美元在未來五年之內同全體國民宣傳量子數據科學知識。

對大部分國家來說,研究量子計算的主要動機,在於破解現有加密算法——如果能夠高效完成破解,那麼各國將掌握幾乎無限的情報收益。但是,要真正實現這種破解能力,還需要物理基礎再來一波快速發展。

包括英特爾、微軟、谷歌以及IBM在內的諸多企業正在努力構建量子計算機系統。他們正在嘗試複製經典計算機系統的電路模型。然而,目前的實驗方法只能構建起低於100量子比特的系統。相比之下,為了真正具備實用性,設備的量子比特數量可能至少要達到數百這一水平。

噪聲與糾錯

量子算法目前已經初露端倪,但在具體實現方面還存在不少艱鉅的工程技術挑戰。

一套計算機系統要想正確運行,最基本的要求就是處理掉一切小型隨機錯誤。在量子PC當中,這種錯誤主要來自電路組件以及量子比特同周遭環境間的非預期相互作用。受到這些原因的影響,量子比特很有可能在幾分之一秒內快速失去相干性。一旦退相干,即代表喪失計算能力,因此計算過程必須在更短的時間內完成。如果無法對自身系統中不可避免的隨機錯誤進行糾正,整體計算結果也有可能完全無效。

在經典計算機系統當中,較小的噪聲主要由閾值機制負責糾正,整個過程有點像是數位舍入的過程。以此為基礎,我們可以確定在整數的傳遞範圍內,誤差必然小於0.5。例如,假設真實值為3.45,那麼最終取值則為3。

我們還可以通過引入冗餘來糾正其他一些錯誤。因此,如果將0和1分別發送為000和111,則整個傳輸過程中最多只能糾正一項數位錯誤:獲取的001可以解釋為0,獲取的101則可解釋為1。

量子糾錯碼是對經典糾錯碼的一種概括,但也包含不少實質性的變化。首先,未知的量子比特無法被複製為冗餘以充當糾錯方法。此外,在執行糾錯編碼之前已經傳入內部的錯誤,也將無法得到糾正。

量子密碼學

噪聲問題在量子計算機系統的具體實施層面是個大麻煩,但在量子密碼學層面卻頗具意義。在密碼學領域,研究人員專注於處理單一量子比特,這是因為單個量子比特能夠在相當長的一段時間中與周遭環境保持距離。利用量子密碼學技術,兩位客戶之間可以交換大量數字(通常被稱為密鑰),並以此為基礎安全地完成知識交換,同時確保無人破解整個交換系統。這樣的信息傳遞方式能夠實現衛星與海軍艦艇之間的安全通信。但需要強調的是,在密鑰交換完成後,系統使用的具體加密算法仍然屬於經典算法(而非量子算法)。從這個角度看,理論上量子加密似乎也不比經典策略強多少。

量子密碼學已經在一定程度上在高價值銀行交易當中實現商用。但是,由於必須利用經典協議對事件進行身份驗證,而且其序列穩定性甚至不及其中最脆弱的超鏈接部分,因此這套方案與原有方法並沒有太大的不同。相比之下,銀行目前廣泛使用的經典身份驗證流程,其最大短板則在於流程的整體安全性較差。

量子密碼學專家不妨將關注重點轉移到量子信息傳輸領域,通過目前的事實來看,量子傳輸在安全性方面確實要比現有密碼學策略高得多。

商業規模的量子計算挑​​戰

儘管量子密碼學有望解決量子傳輸難題,但我仍然懷疑這一切對於大家期待的廣義量子計算到底有沒有作用。糾錯是通用型PC的核心所在,同時也是現有量子計算機系統面臨的主要挑戰。至少就個人看來,我很難相信會出現商業規模的量子計算解決方案。

糾錯算法是量子計算機實際大規模運行的根本前提,在宣布實現“量子霸權”時,谷歌表示,公司正在努力實現這個里程碑,並將在未來對現有硬件進行改進以實現該算法的日常運行。除了糾錯,量子比特質量、量子比特控制、線路過於復雜等都是量子計算全面實現路上的待解決的重大挑戰。

谷歌所宣稱的“實現量子霸權”,很容易給人帶來錯誤印象,即以為量子計算機距離大規模實際應用已經很近。事實上還有很長的一段路要走。有質疑者認為,此次量子霸權的論證並沒有實用性意義。 IBM認為,在量子計算機上實現實際解決方案的唯一途徑是繼續構建並推廣更強大的可編程量子計算系統。一直以來,IBM一直在圍繞商用量子計算機方面展開研究,今年,IBM表示計劃在未來三到五年內將量子計算機商業化。

英特爾一直將實現“量子的實用性”作為量子計算研究的終極目標,英特爾的研究中心主要在超導量子以及自旋量子兩個方面,近日,英特爾發布了在矽自旋量子計算的新成果,推出了Horse Ridge 低溫控制芯片,以加速全棧量子計算系統開發。英特爾認為,至少還需要十年的時間才有可能實現量子計算的商用。

到目前為止,量子計算這場“馬拉松”,也只是前行了“一英里”…

原文鏈接:

https://nationalinterest.org/blog/buzz/quantum-computers-are-ultimate-paper-tiger-101682