北京時(shí)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(guò)了目前最頂尖的超級計算機，可見(jiàn)“量子霸權”已經(jīng)實(shí)現，而 IBM 公司迅速表示反對，稱(chēng)自己的經(jīng)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(shí)性秒殺谷歌，因此人們應該用“懷疑的眼光”看待谷歌此次發(fā)布的聲明。

　　量子計算已經(jīng)不是第一次遭到質(zhì)疑了。去年，法國蒙彼利埃大學(xué)的理論物理學(xué)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(fā)表了一篇文章，從技術(shù)角度出發(fā)，就“我們?yōu)楹斡肋h也不可能造出實(shí)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(xué)量子計算專(zhuān)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(jīng)典計算機有著(zhù)本質(zhì)上的區別。

　　經(jīng)典計算機利用無(wú)數個(gè) 0 和 1 來(lái)儲存數據，這些數字可以代表某個(gè)回路上不同點(diǎn)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(zhì)非常特殊，它們可以以疊加態(tài)存在，即同一時(shí)間既可能是0、也可能是1;量子比特還會(huì )相互糾纏，即使之間相隔甚遠，也能共享相同的物理性質(zhì)。這種行為在經(jīng)典物理學(xué)的世界中是不存在的，一旦實(shí)驗者試圖與量子態(tài)進(jìn)行互動(dòng)，這種疊加態(tài)就會(huì )立刻消失。

　　由于疊加態(tài)的存在，一臺擁有 100 個(gè)量子比特的量子計算機可以同時(shí)給出 2100 種解法。在解決特定問(wèn)題時(shí)(如代碼破解類(lèi)問(wèn)題)，這種指數級別的并行計算無(wú)疑有著(zhù)巨大的速度優(yōu)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(yōu)化類(lèi)問(wèn)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(yōu)化系統，但有批評家指出，這些系統的性能并不比經(jīng)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(lǐng)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(shí)間內推動(dòng)量子信息科學(xué)的發(fā)展。

　　破解加密算法是許多國家研究量子技術(shù)的有力動(dòng)機，假如能成功掌握這門(mén)技術(shù)，就會(huì )在情報方面獲得巨大優(yōu)勢，除此之外，這些投資有力推動(dòng)了基礎物理學(xué)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(jīng)典計算機電路模型的硬件。然而，目前的實(shí)驗性系統只有不到 100 個(gè)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(wàn)個(gè)量子比特才行。

　　噪聲與錯誤糾正

　　量子算法背后的數學(xué)原理已經(jīng)很清楚了，但技術(shù)方面仍存在巨大挑戰。

　　計算機要想正常運行，就必須能隨時(shí)糾正隨機出現的小錯誤。在量子計算機中，這些錯誤可能來(lái)自有問(wèn)題的電路元件、或者量子比特與周?chē)h(huán)境之間的相互作用。一旦出現這些問(wèn)題，量子比特之間的相干性就會(huì )迅速消失，因此計算時(shí)間必須比這段時(shí)間更短才行，而如果這些隨機錯誤沒(méi)有得到糾正，量子計算機的計算結果就毫無(wú)價(jià)值可言了。

　　在經(jīng)典計算機中，小規模噪聲可以利用所謂的“閾值”概念來(lái)糾正，類(lèi)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(huì )被自動(dòng)糾正為3。

　　更嚴重的噪聲可以通過(guò)引入“冗余”來(lái)糾正。假設將 0 和 1 以 000 和 111 的形式傳輸，傳輸過(guò)程中就最多只有 1 個(gè)比特會(huì )出錯，這樣一來(lái)，假如接收到的數字是 001，就會(huì )被自動(dòng)糾正為0;而假如接收到了 101，就會(huì )被糾正為1。

　　量子糾錯碼是經(jīng)典計算機糾錯碼的泛化版，但兩者之間有著(zhù)關(guān)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(wú)法被糾正。

　　量子加密

　　盡管噪聲問(wèn)題是量子計算機面臨的重大挑戰，但對于量子加密來(lái)說(shuō)并非如此。因為在量子加密技術(shù)中，各個(gè)量子比特之間并沒(méi)有相干性，而單個(gè)量子比特與外界環(huán)境之間可以長(cháng)時(shí)間保持隔絕。利用量子加密技術(shù)，兩名用戶(hù)可以交換所謂的“密鑰”(通常是一串很長(cháng)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(méi)有任何人可以破解。這類(lèi)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(guò)，在交換密鑰之后使用的真正加密算法仍屬于經(jīng)典算法，因此從理論上來(lái)說(shuō)，加密級別并不會(huì )高于經(jīng)典加密方法。

　　量子加密技術(shù)已經(jīng)被用在了少數大額銀行交易中，但由于交易雙方必須通過(guò)經(jīng)典協(xié)議進(jìn)行身份認證，而這是整根鏈條中最薄弱的一環(huán)，因此整個(gè)加密系統的強度與現有系統并沒(méi)有太大區別。銀行仍在使用以經(jīng)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(huì )損失系統的整體安全性。

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

　　商業(yè)規模量子計算面臨的挑戰

　　假如能解決量子信息傳輸的問(wèn)題，量子加密技術(shù)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(jīng)如此重要，對量子計算機來(lái)說(shuō)更是一項巨大挑戰，因此，要想打造出商業(yè)規模的量子計算機，只怕是難如登天。
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