什么是“ 量子优越性 ”？

2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等研究团队在《科学》刊发论文，宣布他们开发的量子计算机“九章”的计算速度比目前世界上最快的超级计算机快100万亿倍。而相比于去年较早的宣布超过超级计算机速度的由美国谷歌公司开发的量子计算机“悬铃木”(Sycamore），“九章”的计算速度是其的100亿倍。这被认为是“量子优越性”新的里程碑。

 

 

“九章”的光量子干涉实物图 (摄影/马潇汉、梁竞、邓宇皓，图/中国科学技术大学)

 

量子计算机是指利用原子、电子等微观物质遵循的物理学规律——“量子力学”的性质去实现计算的计算机。人们一直期待着通过利用微观物质的一些不可思议的性质，来实现远超现有计算机的计算速度。

 

量子计算机一旦实用化，将会在很多领域取得革命性的成果，正因此，近年来世界各国研究人员展开的研发竞争非常激烈。而追寻真正可以超越现有计算机速度的量子计算机，即所谓的“量子优越性”(又称“量子霸权”），被认为具有划时代的意义。

 

量子比特可以同时表示“0”和“1”

不管是文字还是图像，现有的计算机都是通过“0”和“1”的组合来表示信息的。这种用0或1来表示信息的基本单位被称为“比特”（bit）。例如，两个比特就可以通过两位的0、1组合表示出“00”“01”“10”“11”这4种信息。无论是智能手机还是超级计算机，表示信息的原理都是如此。

 

当然，两个比特一次也只能表示4种信息当中的某一种。如果增加到10比特，通过每一位0或1进行不同的排序组合，能够表示的信息共有210＝1024种。不过同理，如果某一时刻0和1的排序确定了，也只能是表示1024种信息当中的一种。

 

但在微观世界里却存在着“既可以是0又可以是1”的“叠加态”。利用了这个原理的量子计算机的信息基本单位被称为“量子比特”。一个量子比特可以同时表示0和1。这样一来，10个量子比特就可以同时表示1024种信息，并且能够一次性对它们进行计算处理。

 

 

传统计算机（左）与量子计算机（右）处理信息的基本原理。两者的共同点为都是按照一定的规则依次处理0与1所表示的信息（比特/位）。但量子计算机中的量子比特处于“量子纠缠”这一特殊状态。

 

“量子”可以挑选出正确的答案

但是，并不是说一次计算就能把1024种可能的答案全部解出。因为在量子力学中，一旦对处于叠加态的量子比特进行观察（去确认到底是0还是1），它就不会再处于叠加态，而会像普通的比特一样确定为0或1。由于只要进行了观察，答案就会确定，所以一次性计算得到的结果只有一个。

 

对量子比特进行观察时，它确定为0还是1是由概率决定的。所以，如果仅仅是观察，而不做任何事先的处理，量子计算机计算出的答案也只是1024种结果中随机的某一种。这样的计算结果很可能不是我们所需要的，因此没有实际的意义。

 

这时就需要“量子算法”来解决这个问题了。量子算法可以增大所需计算结果的出现概率。在量子算法里，对于多个量子比特，可以让它们在处于叠加态的前提下发生“干涉”现象。彼此发生干涉的量子比特会处于一种叫做“量子纠缠”的状态，可以提高特定排序组合的出现概率。要想充分发挥量子计算机的性能，就要对求解的问题使用适合它的量子算法，并不是任何问题都能实现超高速计算求解。

 

“悬铃木”使用了54个超导量子比特表示信息，需要在极低温的环境中才能正常运行。而此次潘建伟、陆朝阳等研究团队开发的量子计算机“九章”使用了光量子比特，通过76个光子输出，在常温下就能运行。

 

不过，虽然“九章”和“悬铃木”都完成量子优越性，但九章进行的计算是“玻色采样”，而“悬铃木”开展的计算是输出具有特殊倾向的随机数列。这都是为量子计算机量身打造的特殊计算，对解决实际问题的没有什么帮助。也就是说，目前的量子计算机，还无法在通用计算方面达成量子优越性。

 

 

“九章”的核心——100模式相位稳定干涉仪。用于实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。研究者表示，“九章”的输出态空间（量子纠缠可能出现的状态）达到了1030，甚至超出了目前全世界所有电子储存设备的容量之和。（摄影/马潇汉、梁竞、邓宇皓 图/中国科学技术大学）

 

需要更多的量子比特才能实用化

因此，虽然有很多人开始对量子计算机产生过多的期待，但这些实验结果并不意味着如今的量子计算机已经能对社会产生巨大的影响。

 

那么，大概什么时候才会出现真正实用的量子计算机呢？能在各领域使用的通用型量子计算机必须要具备的一个特征，就是纠错机制。实际上，传统的电子计算机也可能因为某些原因出现电子信号变强或变弱、从而导致发生计算错误。因此，也都具备各种纠错机制。

 

量子计算机当然也必须要有纠错功能。特别是量子比特非常敏感，如果零件中含有杂质，就很容易发生错误。所以对于量子计算机来说，纠错机制尤为重要。

 

但是，因为量子计算机利用了微观物质所遵从的量子力学性质，所以不能照搬传统电子计算机的纠错机制。现在正在研究利用“量子纠缠”的状态来进行纠错。但是，这种纠错机制需要很多的量子比特，现阶段的规模是完全不够的。另外，如果单纯地增加量子比特的个数，就很难再保持机器的精度，各种线路也会变得更复杂，反而更容易产生错误。所以，增加量子比特位数并不是那么简单的事情。研究者猜测，要想实现带有纠错功能的通用型量子计算机，一般认为至少需要1万～100万个量子比特。而要实现这样的规模，最快也是10～20年之后的事情了。

 

互联网还安全吗？

将来，量子计算机有可能应用在现实社会中的各种场景。其中，更受关注的就是密码分析了。

 

现在，为了保证互联网通信的隐匿性，通常采用一种叫做“RSA算法”的加密方法。这种加密方法所基于的数学原理是巨大整数的素因数分解十分困难，即“把两个巨大的素数相乘得到的整数再进行素因数分解，求解出原本的两个素数在事实上是不可能的”。如此一来，便可以保证加密的安全性（具体原理详见《科学世界》2018年第1期“神秘的素数”）。如果用目前的超级计算机对巨大整数进行素因数分解，所需要的时间会长到无法想象。

 

但是，量子计算机在短时间内对巨大整数进行素因数分解所使用的量子算法（舒尔算法）已经公开。换句话说，量子计算机有望以极短的时间破解RSA算法。所以有人认为将来互联网的安全性会遭到致命性的破坏。不过，一般认为需要数百万到数亿个量子比特才有可能完成此类计算。而且研究者已经开始研发就算用量子计算机也解密不了的加密方式，不会出现某一天加密算法就突然失效的局面。

 

 

图中曲线（纵轴是对数）为“何时能研发出多少量子比特的量子计算机”的初步预测。可以看到，尽管距离实用的通用型量子计算机还有很远，但能够具有部分实用价值的中型量子计算机（NISQ）很有可能将在未来不远的时间内面世。

 

仍在继续的量子计算机研发竞争

不过，在通用型量子计算机被研发出来之前阶段的量子计算机，也不是任何用处都没有。至少今后的5～10年应该会成为所谓的“嘈杂中型量子”(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ）时代，研发出因纠错机制不完善而噪声较严重、且量子比特数只有中小规模的量子计算机。目前，有关中型量子计算机应用的研究也算是热点。如果对量子算法进行优化，NISQ也可能会在某些实际的场景中发挥很大作用，所以现在世界上已经开始了NISQ的研发竞争。

 

例如，如果对化学物质进行各种模拟计算，可以帮助研发新的医药制品和高性能材料等。另外，NISQ的运用也可能会进一步提高（AI）的性能。目前即使是业内人员，也很难准确估计相关研究的进展速度。因而也很有可能出现完全想象不到的发展方向。

 

参考阅读：

《科学世界》2020年4期《“量子优越性”到底是什么？》

《科学世界》2019年1期《量子计算机是如何工作的？》

 

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