北京時(shí)間1月7日消息，據(jù)外媒報(bào)道，谷歌在2019年秋季宣布，其量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前頂級(jí)的超級(jí)計(jì)算機(jī)?？梢娏孔影詸?quán)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但I(xiàn)BM很快表示反對(duì)。聲稱他的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)不僅具有與谷歌量子計(jì)算機(jī)相同的計(jì)算速度，而且在準(zhǔn)確性方面也擊敗了谷歌。因此，人們應(yīng)該以懷疑的態(tài)度看待谷歌此次的聲明。

這并不是量子計(jì)算第一次受到質(zhì)疑。去年，法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)理論物理學(xué)家米歇爾·迪亞科諾夫（Michel Dyakonov）在電氣與計(jì)算機(jī)工程旗艦期刊《IEEE Spectrum》上發(fā)表了一篇文章。從技術(shù)角度來看，就我們而言，有很多原因?qū)е掠肋h(yuǎn)無法建造出實(shí)用的量子超級(jí)計(jì)算機(jī)。本文作者、俄克拉荷馬州立大學(xué)量子計(jì)算專家Subhash Kak 也認(rèn)為，構(gòu)建一臺(tái)真正有用的量子計(jì)算機(jī)確實(shí)很難，因?yàn)橛布械碾S機(jī)錯(cuò)誤是不可避免的。

什么是量子計(jì)算機(jī)？

要理解其中的原因，我們必須首先了解量子計(jì)算機(jī)是如何工作的，因?yàn)樗鼈兊脑砼c經(jīng)典計(jì)算機(jī)有根本的不同。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用無數(shù)的0和1來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)字可以代表環(huán)路上不同點(diǎn)的電壓，但量子計(jì)算機(jī)使用量子位，可以將其想象為一系列具有幅度和相位的波。

量子位的屬性非常特殊。它們可以以疊加狀態(tài)存在，即可以同時(shí)為0或1；量子位也相互糾纏，即使相距很遠(yuǎn)，它們也可以共享相同的物理屬性。這種行為在經(jīng)典物理世界中并不存在，一旦實(shí)驗(yàn)者嘗試與量子態(tài)相互作用，疊加就會(huì)消失。

由于疊加態(tài)的存在，一臺(tái)100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)提供2100個(gè)解。在解決特定問題（比如代碼破解問題）時(shí)，這種指數(shù)級(jí)別的并行計(jì)算無疑具有巨大的速度優(yōu)勢(shì)。

還有另一種量子計(jì)算方法稱為量子退火，它是指使用量子比特來加速優(yōu)化問題的求解。加拿大公司D-Wave Systems 使用量子位構(gòu)建了一系列優(yōu)化系統(tǒng)，但批評(píng)者指出，這些系統(tǒng)的性能并不比經(jīng)典計(jì)算機(jī)好。

盡管如此，一些公司和國(guó)家政府仍在大力投資量子計(jì)算。歐盟制定了耗資11億美元的量子項(xiàng)目總體規(guī)劃，美國(guó)《國(guó)家量子倡議法案》提供12億美元資金，在五年內(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)的強(qiáng)大動(dòng)力。如果他們能夠成功掌握這項(xiàng)技術(shù)，他們將在智力上獲得巨大的優(yōu)勢(shì)。此外，這些投資有力地推動(dòng)了基礎(chǔ)物理的研究。

許多公司都在努力打造量子計(jì)算機(jī)，包括英特爾、微軟、IBM等，這些公司正在開發(fā)模擬經(jīng)典計(jì)算機(jī)電路模型的硬件。然而，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只有不到100 個(gè)量子位，要真正具備計(jì)算能力，計(jì)算機(jī)必須擁有數(shù)十萬個(gè)量子位。

谷歌的Sycamore 芯片需要放置在低溫恒溫器中以保持低溫。

噪聲和糾錯(cuò)

量子算法背后的數(shù)學(xué)原理很清楚，但仍然存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

為了使計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行，它必須能夠隨時(shí)糾正小的隨機(jī)錯(cuò)誤。在量子計(jì)算機(jī)中，這些錯(cuò)誤可能來自有缺陷的電路組件或量子位與其周圍環(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(huì)很快消失，因此計(jì)算時(shí)間必須比這個(gè)時(shí)間短，而如果這些隨機(jī)誤差不被糾正，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果就毫無價(jià)值。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，可以使用所謂的閾值概念來校正小規(guī)模噪聲，類似于數(shù)字的舍入。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)字是3.45，則會(huì)自動(dòng)修正為3。

更嚴(yán)重的噪聲可以通過引入冗余來糾正。假設(shè)0和1以000和111的形式傳輸，那么傳輸過程中只有一位會(huì)出錯(cuò)。這樣如果收到的號(hào)碼是001，就會(huì)自動(dòng)修正為0；如果收到101，將修正為1。

量子糾錯(cuò)碼是經(jīng)典計(jì)算機(jī)糾錯(cuò)碼的通用版本，但兩者之間存在關(guān)鍵區(qū)別。首先，未知的量子位無法被復(fù)制，因此無法應(yīng)用冗余糾錯(cuò)。其次，在引入糾錯(cuò)碼之前輸入的數(shù)據(jù)中存在的錯(cuò)誤無法被糾正。

量子加密

雖然噪聲問題對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，但對(duì)于量子加密來說卻并非如此。因?yàn)樵诹孔蛹用芗夹g(shù)中，各個(gè)量子比特之間不存在一致性，單個(gè)量子比特可以長(zhǎng)時(shí)間保持與外部環(huán)境隔離。利用量子加密技術(shù)，兩個(gè)用戶可以交換一個(gè)所謂的密鑰（通常是一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字），它就像保護(hù)數(shù)據(jù)的密鑰一樣，并且密鑰交換系統(tǒng)無法被任何人破解。這種類型的密鑰交換系統(tǒng)可用于衛(wèi)星和海軍軍艦之間的加密通信。但密鑰交換后實(shí)際使用的加密算法仍然是經(jīng)典的，因此理論上加密級(jí)別并不高于經(jīng)典的加密方法。

量子加密技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于少數(shù)大額銀行交易中，但由于交易雙方必須通過經(jīng)典協(xié)議驗(yàn)證身份，這是整個(gè)鏈條中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此整個(gè)加密系統(tǒng)的強(qiáng)度與現(xiàn)有系統(tǒng)的那個(gè)。差別不大。銀行仍然使用基于經(jīng)典加密方法的身份驗(yàn)證過程，這些方法本身可以用于密鑰交換，而不會(huì)損害系統(tǒng)的整體安全性。

因此，量子加密技術(shù)要想獲得遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)的安全性，就必須將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向量子信息傳輸。

商業(yè)規(guī)模量子計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)

如果量子信息傳輸?shù)膯栴}能夠得到解決，量子加密技術(shù)還是很有前景的，但量子計(jì)算卻不一定如此。糾錯(cuò)能力對(duì)于普通多功能計(jì)算機(jī)來說已經(jīng)如此重要，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說更是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，建造商業(yè)規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)極其困難。 （葉子）