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“量子霸權”難實現: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”已經實現,而IBM公司迅速表示反對,稱自己的經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”看待谷歌此次發布的聲明。

量子計算已經不是第一次遭到質疑了。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上發表了一篇文章,從技術角度出發,就“我們為何永遠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,因為其原理與經典計算機有著本質上的區別。

經典計算機利用無數個0和1來儲存數據,這些數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。

量子比特的性質非常特殊,它們可以以疊加態存在,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。這種行為在經典物理學的世界中是不存在的,一旦實驗者試圖與量子態進行互動,這種疊加態就會立刻消失。

由于疊加態的存在,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),這種指數級別的并行計算無疑有著巨大的速度優勢。

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化系統,但有批評家指出,這些系統的性能并不比經典計算機出色。

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,用于在五年時間內推動量子信息科學的發展。

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

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典計算機電路模型的硬件。然而,目前的實驗性系統只有不到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。谷歌的Sycamore芯片需要放在低溫恒溫器中、保持低溫狀態。

噪聲與錯誤糾正

量子算法背后的數學原理已經很清楚了,但技術方面仍存在巨大挑戰。

計算機要想正常運行,就必須能隨時糾正隨機出現的小錯誤。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境之間的相互作用。一旦出現這些問題,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果就毫無價值可言了。

在經典計算機中,小規模噪聲可以利用所謂的“閾值”概念來糾正,類似于數字的四舍五入。以整數的傳輸為例,假設已知誤差值小于0.5,如果接收到的數字為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。

量子糾錯碼是經典計算機糾錯碼的泛化版,但兩者之間有著關鍵區別。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據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,但對于量子加密來說并非如此。因為在量子加密技術中,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境之間可以長時間保持隔絕。利用量子加密技術,兩名用戶可以交換所謂的“密鑰”(通常是一串很長的數字),密鑰就像一把保護數據的鑰匙,并且這套密鑰交換系統沒有任何人可以破解。這類密鑰交換系統可用于衛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典算法,因此從理論上來說,加密級別并不會高于經典加密方法。

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

因此,量子加密技術要想獲得遠勝于現有技術的安全性,就必須將重點轉移到量子信息傳輸上。

商業規模量子計算面臨的挑戰

假如能解決量子信息傳輸的問題,量子加密技術還是很有前景的,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如此重要,對量子計算機來說更是一項巨大挑戰,因此,要想打造出商業規模的量子計算機,只怕是難如登天。(葉子)


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