“量子霸权”难实现:很难造出真正有用的量子计算机

北京时间1月7日消息，据国外媒体报道，谷歌曾在2019年秋天宣布，其量子计算机的计算速度远远超过了目前最顶尖的超级计算机，可见“量子霸权”已经实现，而IBM公司迅速表示反对，称自己的经典超级计算机不仅计算速度与谷歌的量子计算机差不多，而且真实性秒杀谷歌，因此人们应该用“怀疑的眼光”看待谷歌此次发布的声明。

量子计算已经不是第一次遭到质疑了。去年，法国蒙彼利埃大学的理论物理学家米切尔·达亚科诺夫（Michel Dyakonov）就在电子与计算机工程的旗舰期刊IEEE Spectrum上发表了一篇文章，从技术角度出发，就“我们为何永远也不可能造出实用的量子超级计算机”列出了一系列理由。本文作者、俄克拉荷马州立大学量子计算专家萨布哈什·卡克（ Subhash Kak）也认为，由于硬件的随机误差难以避免，的确很难造出真正有用的量子计算机。

　　何为量子计算机？

要想理解为什么，首先要弄清量子计算机的工作原理，因为其原理与经典计算机有着本质上的区别。

经典计算机利用无数个0和1来储存数据，这些数字可以代表某个回路上不同点位处的电压，但量子计算机使用的是量子比特，可以将它们想象成一系列具有振幅和相位的波。

量子比特的性质非常特殊，它们可以以叠加态存在，即同一时间既可能是0、也可能是1；量子比特还会相互纠缠，即使之间相隔甚远，也能共享相同的物理性质。这种行为在经典物理学的世界中是不存在的，一旦实验者试图与量子态进行互动，这种叠加态就会立刻消失。

由于叠加态的存在，一台拥有100个量子比特的量子计算机可以同时给出2100种解法。在解决特定问题时（如代码破解类问题），这种指数级别的并行计算无疑有着巨大的速度优势。

此外还有另一种量子计算方法，名叫“量子退火”，指利用量子比特加速解决优化类问题。加拿大的D-Wave Systems公司就打造了一系列采用量子比特的优化系统，但有批评家指出，这些系统的性能并不比经典计算机出色。

尽管如此，多家公司和国家政府仍然在量子计算领域投入了大量资金。欧盟制定了一项耗资11亿美元的量子项目总计划，美国的国家量子倡议法案提供了12亿美元资金，用于在五年时间内推动量子信息科学的发展。

破解加密算法是许多国家研究量子技术的有力动机，假如能成功掌握这门技术，就会在情报方面获得巨大优势，除此之外，这些投资有力推动了基础物理学的研究。

许多公司都在尽全力打造量子计算机，包括因特尔、微软、IBM等等。这些公司正在研制模拟经典计算机电路模型的硬件。然而，目前的实验性系统只有不到100个量子比特，而要想真正具备计算能力，计算机必须要有数十万个量子比特才行。

　　噪声与错误纠正

量子算法背后的数学原理已经很清楚了，但技术方面仍存在巨大挑战。

计算机要想正常运行，就必须能随时纠正随机出现的小错误。在量子计算机中，这些错误可能来自有问题的电路元件、或者量子比特与周围环境之间的相互作用。一旦出现这些问题，量子比特之间的相干性就会迅速消失，因此计算时间必须比这段时间更短才行，而如果这些随机错误没有得到纠正，量子计算机的计算结果就毫无价值可言了。

在经典计算机中，小规模噪声可以利用所谓的“阈值”概念来纠正，类似于数字的四舍五入。以整数的传输为例，假设已知误差值小于0.5，如果接收到的数字为3.45，就会被自动纠正为3。

更严重的噪声可以通过引入“冗余”来纠正。假设将0和1以000和111的形式传输，传输过程中就最多只有1个比特会出错，这样一来，假如接收到的数字是001，就会被自动纠正为0；而假如接收到了101，就会被纠正为1。

量子纠错码是经典计算机纠错码的泛化版，但两者之间有着关键区别。首先，未知的量子比特不能被复制，因此不能应用冗余纠错法。其次，在纠错码引入前输入的数据中存在的错误无法被纠正。

　量子加密

尽管噪声问题是量子计算机面临的重大挑战，但对于量子加密来说并非如此。因为在量子加密技术中，各个量子比特之间并没有相干性，而单个量子比特与外界环境之间可以长时间保持隔绝。利用量子加密技术，两名用户可以交换所谓的“密钥”（通常是一串很长的数字），密钥就像一把保护数据的钥匙，并且这套密钥交换系统没有任何人可以破解。这类密钥交换系统可用于卫星与海军军舰之间的加密沟通。不过，在交换密钥之后使用的真正加密算法仍属于经典算法，因此从理论上来说，加密级别并不会高于经典加密方法。

量子加密技术已经被用在了少数大额银行交易中，但由于交易双方必须通过经典协议进行身份认证，而这是整根链条中最薄弱的一环，因此整个加密系统的强度与现有系统并没有太大区别。银行仍在使用以经典加密方法为基础的身份认证流程，而这套流程本身也可以用于密钥交换，并不会损失系统的整体安全性。

因此，量子加密技术要想获得远胜于现有技术的安全性，就必须将重点转移到量子信息传输上。

　商业规模量子计算面临的挑战

假如能解决量子信息传输的问题，量子加密技术还是很有前景的，但量子计算则不一定。纠错能力对普通的多功能计算机而言已经如此重要，对量子计算机来说更是一项巨大挑战，因此，要想打造出商业规模的量子计算机，只怕是难如登天。（叶子）