时间：2022-12-27 16:12:01
量子计算下一个超级大挑战的作者应朋友之约，原本打算写一篇关于量子计算的科普视频稿，但不小心写多了。 认为是公共的或有利益的，厚颜无耻地把全稿送到这里。 事实上，关于量子计算的科学论文不少。 我也写过，本篇的视点略有不同。 为什么需要量子计算呢？ 为什么这些年来引起了这么大的关注呢？ 如果能回答这些问题，也许可以解释为量子计算不是科学家们的狂想曲，而是诞生于这个时代的产物。 正如量子力学和相对论是人类在二十世纪给人类留下的光辉印记一样，量子计算也可能成为人类在二十一世纪留下的又一个永世长存的烙印。 执笔|天真我们生活在计算时代的人类对计算能力的渴望永远持续。 自打记事以来，计算能力的提高关系到文明的进步，古希腊毕达哥拉斯学派将其作为真理。 今天的我们太习惯计算带来的好处了，大多数人都忽略了它的伟大。 滑动画面输入关键词，搜索引擎就会得出想要的结果。 这些操作可以在几秒钟内完成。 有多少人知道其背后有多少“计算”？ 有多少人知道，在我们开心地播放哈喇子刷小视频的时候，机器正在计算这个时候应该拼命按下一个视频吗？ 在疫情严峻的今天，有多少人能协助我们每个人进行扫码和核酸检测，感知“计算”在疫情防控中的丰功伟绩？ 现在，我们的计算能力达到了顶峰，机器攻克了人类引以为豪的最后一座智堡垒——围棋，接下来机器要征服自动驾驶，征服元宇宙。 可以说我们生活在一个计算的时代。 印加文明之结文章：奇普今天超强的计算能力多亏了被称为“晶体管”的非线性元件。 它由自然中最平凡的材料——硅制造，但浓缩了人类的最高智慧。 虽然扩散到我们周围的每个角落，但出生在最干净的清洁工厂。 它正在迅速改变我们的生活，但现在我们中国人发现被人束缚了。 这就是小费。 在顶级硅半导体芯片中，数百亿个晶体管按照这种称为“布尔代数”的二进制逻辑进行运算。 这一逻辑虽然效率不高，但非常灵活通用，在经过50多年摩尔定律的指数级增长后，它毁灭了所有对手，几乎成为唯一的计算工具。 摩尔定律提出至今已有50多年，至今仍然有效，计算能力也相应地呈指数增长。 人们常说，随着晶体管尺寸越来越小、越来越接近纳米级，摩尔定律终将结束。 我想说的是，在当今互联网时代，即使摩尔定律长期有效，实际上计算力的发展也远远赶不上互联网上数据的膨胀速度。 与互联网实际包含的信息量相比，我们可以从互联网上提取的信息量少得可怜。 如果把数据当成矿山，把计算力当成采掘机，采掘机在矿山面前就会越来越小。 在这种情况下，人类对于超越现在范式的新计算能力的需求，产生了欲望。 在此背景下，像谷歌这样的公司，为什么关注量子计算，不惜亲自下水也是可以理解的。 因为我有那个矿山。 想象一下坐在金矿里却没有工具只能用手抠的心情！ 摩尔定律五十年的量子计算结合现实七嘴八舌的结果，话题终于转向了量子计算。 很多人听到量子很容易和神秘现象联系起来。 波浪也可以是粒子，瞬间移动也可以，没有必要这样。 我在和人谈论量子的时候，最害怕陷入虚无主义和认知论等讨论。 我实际上是在做实验，所以不是做哲学。
我喜欢站在实用主义的角度看量子。 准确地表达了物质底部的行为模式。 那个现在也非常正确。 那么，让我们看看在量子规则下，我们能做什么。 使用量子计算可以说是上个世纪最大胆的想法。 当时，对量子世界的控制能力与现在有天壤之别，前几个重要的量子算法，如Shor算法和Grover算法，实际上是数学家制作的——，他们把它当成数学玩具来研究，所以实现的这个进入21世纪，情况将大不相同。 2012年诺贝尔物理学奖被授予Serge Haroche和David J. Wineland，以表彰“独立量子系统测量和操作方面的划时代实验进展”。 他们首次捕获原子，利用光与原子的相互作用实现了原子量子态的操纵和测量——，实际上是离子阱量子计算的开始。 这项工作打开了操纵和读取量子态的大门，为物理上实现量子计算点燃了希望之火。 从那时起，量子位、量子门和量子计算不再仅仅停留在数学和理论阶段。 2012年诺贝尔物理学奖获得者世纪之交还有另一个重要突破。 日本NEC研究所的蔡兆申研究小组首次在超导“小岛”上发现了量子振动现象。 Haroche与Wineland工作的最大区别在于，此时的量子系统具有“宏量子系统”——宏级电子共同参与整个量子过程。 “超导库珀对盒”是目前最受关注的量子计算候选人之一——超导量子计算的前身。 由于宏观量子系统易于操作、可读，且其制备过程与半导体芯片有很大的兼容性，在此后的十多年间，该系统爆发了超强的生命力。 宏量子比特：库珀对盒源的初始超导量子比特，包括上述“库珀对盒”和磁通量子比特、相位量子比特，解决了与操纵、结合、读取有关的许多技术问题，但他们一直是关键指标——的干扰时间相干时间是指一个体系量子性消失、走向经典体系的特征时间。 我们知道，任何体系都不是完全孤立的。 否则，这个体系就和不存在一样，作为可以“计算”的量子比特并不是孤立的。 必须与外界相互作用。 否则，怎么操作它，测量它呢？ 如果有相互作用，就会导致量子信息的消失。 像原子这样的自然界粒子可以有很长的寿命，他们和光子只有非常微弱的相互作用，这也将是一把双刃剑。 因为相互作用很弱，所以量子性很强。 另外，正因为相互作用很弱，我们也很难对其进行操作和测量。 这样一来，就很难部分理解为什么Haroche和Wineland的工作能获得诺奖。 超导量子比特的情况恰恰相反，构成量子比特的超细能级是由宏数库珀对的集体行为引起的，它处于一个更宏观的固态体系中，这里的环境比单原子的情况要差得多。 不知道来自哪里的光子、剩余的电子、外部电磁场扰动引起的电荷、磁场的变化会影响量子比特。 除此之外，由于是宏观自由度，所以与这些外部自由度的耦合强度也很强，量化比特的信息会在极短的时间内丢失。 因此，我们也可以通过电磁场控制的手段，在极短的时间内操作和读取它们。 来不及说“拔啊拔啊、萝卜啊……”，解决了相干时间的问题，在2007年的时候迎来了转机。
当时领域的科学家已经注意到增加电容对抑制电荷噪声的作用，但耶鲁大学的Koch等我国游建强几乎同时发现，在库珀对盒和磁通子位体系中，由于目前广泛流行的transmon量子位——旁路电容的增加而引起的干扰时间自此，超导量子位的退相干时间迅速变为10微秒到100微秒量级，与10纳秒量级的操作时间相比，时间非常长。 随后，加州大学圣巴巴拉分校的Martinis集团迅速提出了基于transmon量子比特的可扩展方案和系统的电子学解决方案，为超导量子计算的工程化奠定了基础。 接下来的故事是，该集团加入谷歌，为谷歌创造了“Sycamore”芯片，并创造了量子霸权这个轰动的里程碑。 谷歌的Sycamore芯片(来源： wikipedia.org )总之，直到今天，量子计算从数学家的玩具、理论物理学家的构想，逐渐变成了现实。 其中有很多实验物理学家和技术人员们的努力，很难为他人着想。 总之，有了这些实验、技术进步和积累，我们才有资格大谈量子计算的未来，可以夸耀量子计算如何压垮传统的计算。 接下来，吹！ 量子计算神威比特的概念源于香农的信息论，有资料表明这一概念是更早( 20世纪40年代)由数学家创立的。 它用于表示二进制代数逻辑中的最小信息单位。 在传统的计算机中，信息是按位编码、处理、传输和获取的。 到了量化世界，信息的最小单位是量化比特，它同样是信息的编码、处理、传输和获取的单位，目前只在量化领域进行。 从逻辑上说，这是一个可以相干叠加的二态系统； 物理上是某个可区分的(准)二能级系统。 量子比特可以聚集在一起形成复合系统。 如果它们之间能发生纠葛，那就是见证奇迹的时候了。 克劳德香农，信息论的创始人，网络缠绕，是量子世界独有的。 隐藏着非常深刻的物理，至今仍不能完全理解，但通过很多实验已经确认了其存在。 以两个量子比特组成的复合系统为例。 这个系统可以处于某种量子态。 此时，将它们作为整体来看，系数是量子，但如果单独看某个量子比特，系数就不是量子了。 也就是说，复合系统只能作为一个整体来看，不能从子系统中获得信息。 在数学上，纠缠系统开辟了更大的笛卡儿积空间，但该笛卡儿积空间的维数随着位数指数而增加。 现在让我列举几个可怕的数字。 当N=50时，这个空间的维数相当于目前最先进的超级计算机每秒的计算次数；当N=300时，维数已经超过了已知的整个宇宙所有原子的总和(一杯水中约有10个原子)。 这种恐惧维度的纠缠扩展为计算问题提供了巨大的编码空间，并允许某些问题寻求更高维更有效率的解决路径。 传统的计算机和理论经过一百多年的发展，已经能有效地解决很多问题，但还有很多问题尚待解决，如天气预报、股价、癌症药物等。 如果这些问题能准确计算出来，我们的世界将会变得非常美丽，也许会变得非常无聊。 例如，海外足球可以准确计算出在下一场比赛中以几比几输。 遗憾的是，量子计算也不能解决这些问题。 好吧，我们那么辛苦做什么？ 不要着急。 我们发现一些问题可以在量子计算的框架下以惊人的效率解决。 而且，这些问题很有意义。 其中之一是有名的Shor算法。
在今天的互联网上，我们浏览网站，输入用户名和密码，如何避免被别人偷看？ 我们的银行卡密码怎么避免被别人偷？ 有人说了，盖一点。 事实上，在互联网上，如果没有加密系统的保护，这些信息几乎是透明的。 互联网的另一个特点是信息能瞬间到达地球的任何地方。 偷看你密码的人，说不定这个时候在毛里求斯跷着脚喝椰子汁。 传统的点对点加密不适用于互联网，随着节点数量的增加，只存储密码会成为灾难。 不对称加密系统——RSA密码有效地解决了这个问题。 不对称是指用于加密和解密的密钥不同。 是用于解密的密钥。 用于加密的公钥。 公钥是公开的，任何人都可以得到。 如果李四想把无法解释的资料交给张三，他必须用张三公开的公钥加密。 张三收到后，用私钥打开，可以享受。 这个时候，如果有王五暗中觊觎这些资料，很抱歉，他手里还能拿到公钥，但是没有私钥怎么也打不开。 由于每个人想和张三通信都可以共享公钥，所以该加密系统大大节省了所需的密钥资源。 这个加密系统为了保护互联网护航了好几年，错误极少。 其加密原理来自数学发现——大数不可分割的原理。 将已知的两个大素数相乘可以得到更大的数，细心的中学生可以算出结果。 但是，相反，我告诉你相乘的结果，你是哪两个素数相乘的？ 顶级数学家也在傻眼。 目前人类取得的最骄人战绩是解读RSA-768， 112301866845301775130494958384983849627207285356953349534732197245215172640050726365187452021997874878646995649564956474954742747406340638455534555363 845534553638453634536384536345363845 85079170261221429134616704292160221602216022160221608408065141419597459845745985902143=33333 698860416984169081781781717171713=33474747474747474747 82883793878002287614711653174308778143087778143087308777814787878148378147814814947308947878781481478146737878147 6327915816431643434367426436715816434362838381579636363636363636363636363636 70092798736308917目前普遍采用的是RSA-1024和RSA-2227 由于这道题的破解难度随题的规模指数增加，现代计算机望尘莫及。 Shor算法得益于量子傅里叶变换的指数加速，可以用准多项式难易度解决上述问题，原本需要百万年的破译时间，直接降低到秒级——维下降打击。 Shor算法的实力很可怕，但在二十世纪不成问题。 实现Shor算法，以当时的技术比去火星更难。 现在的情况不一样了，前面已经很吵了。 大家都很害怕。 密码行业最困扰的问题之一是，我不知道密码是否被破坏了。 另外，现在破不了的密码，可以保存。 即使二十年后破了，杀伤力也足够。 因此，Shor算法的出现，特别是技术实现的可能性，迫使人们积极寻找新的加密形式。 中国偏向于量子通信，在这方面世界领先，但美国人压制了量子密码学。 欧洲人不想置之不理……总之，这是一个亟待解决的问题，如果任何一方先解决解读法，国际平衡就会瞬间崩溃，后果不堪设想。 另一个有用的量子算法是Grover算法。 在非结构化数组中搜索目标时，根编号比经典算法快n倍。 n是数组的长度。 与Shor算法相比，这个加速能力会让小巫见大巫，但这个算法可能会更有用。 因为检索问题是解决诸多问题的基础，也是挖掘信息的重要手段。 当n非常大时，该算法的收益非常显著。
现在，互联网上时时刻刻发生的大量数据，不正是应对了这个n非常大的状况吗？ 漫长的道路结束了，必须面对现实。 上述两种算法，以及它们的派生算法，对操作和读取错误率的要求及其高度要求量子位完美、无错误。 问题是，任何物理体系都会发生错误，任何实际操作都有精度。 我们可以通过建立一定的冗余来实现纠错，这也是早期传统计算机研究过程中的重要主题。 有趣的是，现在的半导体芯片出现错误代码的概率低到完全不需要纠错。 在这些纠错理论遗产即将失去的时候，量子计算来了并继承了它。 量子纠错是实现量子计算的一大挑战，短期内难以实现。 即使发现表面编码这样的拓扑编码的纠错技术，也能够将纠错的要求降低到现有技术可以接受的水平。 这是一个非常庞杂的科学、工程交叉问题，位数达到1000的规模，同时操纵、隔离、读取等技术同时取得进展，到时候我们也许真的能面对这个问题。 在此期间，我们应该耐心等待量子纠错的突破到来吗？ 其实并不是大家都这么做的。 目前，所有领域的科学家和工程师们都将更多的精力放在了“包括噪声在内的中型量子计算( NISQ )”上。 该思想根据目前量子硬件的水平，有针对性地寻找允许噪声存在、具有实用价值的量子算法或量子模拟方法。 因此，目前的研究热点是基于经典-量子混合计算的变分量子算法( VQE )、量子逼近优化算法( QAOA )等，它们的应用场景包括量子化学计算、金融组合优化、人工智能等。 在某些应用领域实现量子优势，我们对量子计算的信心将持续下去，并能吸引更多的资金和人才参与其中，攻克量子纠错等难关。 路很远！ 我上下求索。 量子计算是一条艰难的道路，我们冲在最前面，前进的方向也看不清楚。 也许闯入迷津拔出剑让心茫然，也许切断雾眺望脚下！ 有人认为这是国与国之间的较量，但我觉得更是人类精神的光辉。 我们可能会失败，但我们不会低头。
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来源：归朴编辑：云开叶落
