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文| 賀飛（北京大學(xué)） 經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用位來(lái)表示它所運(yùn)算的值，而量子計(jì)算機(jī)使用量子比特(quantum bits)或量子位（qubits）。位可以是0或1，量子位不僅可以表示值0或1，同時(shí)還表示值0或1的某種組合（稱為“疊加”）。雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)的狀態(tài)是由比特集的二進(jìn)制值決定的，但是在任何單個(gè)時(shí)間點(diǎn)，具有相同數(shù)量量子比特的量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)可以跨越相應(yīng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的所有可能狀態(tài)，從而以指數(shù)形式在更大的問(wèn)題空間工作。然而，利用這個(gè)空間的能力要求所有的量子位都具有內(nèi)在的相互聯(lián)系（“糾纏”），與外部環(huán)境完全隔離，并且非常精確地控制。 量子位（qubit）是量子計(jì)算的理論基石。在常規(guī)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的1 個(gè)位來(lái)表示，它不是處于0 態(tài)就是處于1 態(tài).。在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱為量子位，它除了處于0 態(tài)或1 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)（superposed state）。疊加態(tài)是0 態(tài)和1 態(tài)的任意線性疊加，它既可以是0 態(tài)又可以是1 態(tài)，0 態(tài)和1 態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在。通過(guò)測(cè)量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出0 態(tài)或1 態(tài)。任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子位，例如氫原子中的電子的基態(tài)（ground state）和第1 激發(fā)態(tài)（first excited state)、 質(zhì)子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。一個(gè)量子系統(tǒng)包含若干粒子，這些粒子按照量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，稱此系統(tǒng)處于態(tài)空間的某種量子態(tài)。 過(guò)去25年，許多創(chuàng)新使研究人員能構(gòu)建物理系統(tǒng)，并為量子計(jì)算提供所需的隔離和控制。2018年，量子計(jì)算機(jī)中多數(shù)使用了兩種技術(shù)（被捕獲的離子和由超導(dǎo)電路產(chǎn)生的人造“原子”），目前還在探索許多不同的技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)量子位的基本物理實(shí)現(xiàn)，即“物理量子位’。這一領(lǐng)域正快速發(fā)展中，還有很多需要改進(jìn)的地方，現(xiàn)在下注于一種量子計(jì)算技術(shù)還為時(shí)過(guò)早。因?yàn)榧幢闳藗兛芍圃旄哔|(zhì)量的量子位，構(gòu)建和利用這些量子計(jì)算機(jī)（QC）也會(huì)存在一系列新挑戰(zhàn)。它們使用與經(jīng)典計(jì)算機(jī)完全不同的一組運(yùn)算，需要新的算法、軟件、控制技術(shù)和硬件抽象。 實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的六大難關(guān) 首先，量子位不能固有地拒絕噪聲。經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別之一在于它如何處理系統(tǒng)中不想要的小變化或噪聲。因?yàn)橐粋€(gè)經(jīng)典比特要么是1，要么是0，即使該值稍微偏離（系統(tǒng)中的一些噪聲），對(duì)該信號(hào)的運(yùn)算也很容易去除該噪聲。事實(shí)上，經(jīng)典門(mén)運(yùn)算在比特上用于創(chuàng)建計(jì)算機(jī)，具有非常大的噪聲裕度——它們可以拒絕輸入中的大變化，并且仍然產(chǎn)生干凈、無(wú)噪聲的輸出。但由于量子位可是1和0的任意組合，所以量子位和量子門(mén)不能輕易地拒絕物理電路中出現(xiàn)的小錯(cuò)誤（噪聲）。結(jié)果是，在產(chǎn)生期望的量子運(yùn)算或耦合到物理系統(tǒng)中的任何雜散信號(hào)時(shí)的小誤差，最終會(huì)導(dǎo)致在計(jì)算中出現(xiàn)錯(cuò)誤的輸出。因此，對(duì)于在物理量子位上運(yùn)算的系統(tǒng)，最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一是它們的錯(cuò)誤率。低錯(cuò)誤率很難實(shí)現(xiàn)；即使在2018年年中，在具有5個(gè)或更多個(gè)量子位的系統(tǒng)上進(jìn)行2量子位運(yùn)算的錯(cuò)誤率也超過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)。 其次，無(wú)誤差QC需要量子糾錯(cuò)。盡管物理量子位運(yùn)算對(duì)噪聲敏感，但在物理量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行量子糾錯(cuò)（quantum error correction ,QEC）算法以仿真無(wú)噪聲或“完全糾錯(cuò)”的量子計(jì)算機(jī)是可能的。如果沒(méi)有QEC，一個(gè)復(fù)雜的量子程序，比如實(shí)現(xiàn)肖爾算法的程序，就不可能在量子計(jì)算機(jī)上正確運(yùn)行。雖然QEC對(duì)將來(lái)創(chuàng)建無(wú)錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī)必不可少，但其過(guò)于資源密集，在短期內(nèi)無(wú)法使用，量子計(jì)算機(jī)在短期內(nèi)可能存在錯(cuò)誤。這類機(jī)器被稱為有噪聲的中尺度量子（NISQ）計(jì)算機(jī)。 第三，大數(shù)據(jù)輸入不能有效地加載到QC中。雖然量子計(jì)算機(jī)可使用少量的量子位來(lái)表示指數(shù)級(jí)更大的數(shù)據(jù)量，但目前還沒(méi)有一種方法將大量經(jīng)典數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換為量子狀態(tài)（如果數(shù)據(jù)能以算法方式生成，則不適用）。雖然有人建議量子隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（QRAM）可以執(zhí)行這一功能，但還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。對(duì)于需要大量輸入的問(wèn)題，創(chuàng)建輸入量子態(tài)所需的時(shí)間量通常將支配計(jì)算時(shí)間，并且極大地降低量子優(yōu)勢(shì)。 第四，量子算法設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的好處，量子算法必須利用獨(dú)特的量子特性，如干涉和糾纏，以獲得最終的經(jīng)典結(jié)果。因此，實(shí)現(xiàn)量子加速需要全新的算法設(shè)計(jì)原理和非常巧妙的算法設(shè)計(jì)。量子算法的發(fā)展是該領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵。 第五，量子計(jì)算機(jī)需要一個(gè)新的軟件棧。與所有計(jì)算機(jī)一樣，構(gòu)建有用的設(shè)備要比創(chuàng)建和調(diào)試特定于QC的軟件所需的硬件工具復(fù)雜得多。由于量子程序不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)程序，需要研究和開(kāi)發(fā)軟件工具棧。由于這些軟件工具驅(qū)動(dòng)硬件，硬件和軟件工具鏈的同時(shí)開(kāi)發(fā)將縮短有用量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 最后，量子計(jì)算機(jī)的中間狀態(tài)不能直接測(cè)量。調(diào)試量子硬件和軟件的方法至關(guān)重要。當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的調(diào)試方法依賴于內(nèi)存和中間機(jī)器狀態(tài)的讀取。這兩種方法在量子計(jì)算機(jī)中都不可能。量子態(tài)不能簡(jiǎn)單地被復(fù)制（根據(jù)所謂的非克隆定理）以供隨后研究，任何對(duì)量子態(tài)的測(cè)量都會(huì)將其折疊為一組經(jīng)典比特，從而使計(jì)算停止。發(fā)展新的調(diào)試方法是開(kāi)發(fā)大型量子計(jì)算機(jī)所必需的。 量子計(jì)算何時(shí)能實(shí)現(xiàn)？ 要?jiǎng)?chuàng)建能夠運(yùn)行Shor算法以在1024位RSA加密消息中查找私鑰的量子計(jì)算機(jī)，需要構(gòu)建一臺(tái)大于5個(gè)數(shù)量級(jí)的機(jī)器，并且具有比當(dāng)前機(jī)器好大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)的錯(cuò)誤率，還要開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)支持這臺(tái)機(jī)器。彌合這一差距所需的進(jìn)展使得我們不可能為大型糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)規(guī)劃時(shí)間框架。盡管在這些領(lǐng)域持續(xù)取得重大進(jìn)展，但不能保證所有這些挑戰(zhàn)都能被克服。彌合這一差距的過(guò)程可能暴露出意想不到的挑戰(zhàn)，需要尚未發(fā)明的技術(shù)，或是由于基礎(chǔ)科學(xué)研究的新進(jìn)展而改變我們對(duì)量子世界的理解。因此，當(dāng)前無(wú)法給出實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的時(shí)間表，只能提出若干監(jiān)測(cè)該領(lǐng)域進(jìn)展的指標(biāo)和里程碑事件。 在快速發(fā)展的領(lǐng)域，存在許多未知和困難的問(wèn)題，總體發(fā)展速度取決于學(xué)術(shù)界吸收利用新方法和新見(jiàn)解的能力。鑒于量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特特性和挑戰(zhàn)，它們不太可能直接替代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。事實(shí)上，它們需要許多經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)控制其運(yùn)算，并執(zhí)行計(jì)算來(lái)完成量子糾錯(cuò)。因此，目前被設(shè)計(jì)為與經(jīng)典處理器互補(bǔ)操作的專用設(shè)備，類似于協(xié)處理器或加速器。 此外，一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步取決于其投入的資源，包括人力和資本。考慮到QEC的開(kāi)銷，近期機(jī)器幾乎肯定會(huì)是噪聲中尺度量子（NISQ）計(jì)算機(jī)。雖然大型糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)有許多有趣的應(yīng)用，但NISQ計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用目前并不存在。為NISQ計(jì)算機(jī)創(chuàng)建實(shí)際應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域，需要研究新的量子算法。在2020年代初開(kāi)發(fā)商用NISQ計(jì)算機(jī)應(yīng)用，對(duì)于啟動(dòng)新一輪良性投資周期至關(guān)重要。因此，研究和開(kāi)發(fā)噪聲中尺度量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際商業(yè)應(yīng)用，是當(dāng)前該領(lǐng)域的一個(gè)緊迫問(wèn)題。這項(xiàng)工作的結(jié)果將對(duì)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度以及量子計(jì)算機(jī)商業(yè)市場(chǎng)的規(guī)模和魯棒性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 量子計(jì)算機(jī)可分為三大類型?！澳M量子計(jì)算機(jī)”直接操縱量子位之間的相互作用，而不將這些作用分解為基本門(mén)運(yùn)算。“數(shù)字NISQ計(jì)算機(jī)”通過(guò)在物理量子位利用原始門(mén)運(yùn)算執(zhí)行感興趣的算法來(lái)運(yùn)算。這兩種機(jī)器都存在噪聲，這意味著質(zhì)量（通過(guò)錯(cuò)誤率和量子位相干時(shí)間測(cè)量）將限制這些機(jī)器所能解決的問(wèn)題的復(fù)雜性?！巴耆m錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)”是基于門(mén)的量子計(jì)算機(jī)的版本，通過(guò)部署量子糾錯(cuò)(QEC)而變得更加魯棒，QEC使有噪聲的物理量子位能夠仿真穩(wěn)定的邏輯量子位，從而計(jì)算機(jī)能夠可靠地進(jìn)行任何計(jì)算。 QC發(fā)展的幾個(gè)重要里程碑 QC發(fā)展的第一個(gè)里程碑是簡(jiǎn)單原理證明的模擬和數(shù)字系統(tǒng)。小型數(shù)字NISQ計(jì)算機(jī)在2017年問(wèn)世，其中數(shù)十個(gè)量子位的誤差太高而無(wú)法校正。此外，證明 “量子霸權(quán)(quantum supremacy)”也是一大挑戰(zhàn)。“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）這個(gè)術(shù)語(yǔ)是由加州理工量子理論學(xué)家John Preskill在2012年創(chuàng)造的，指的是當(dāng)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到50量子位的時(shí)候，其計(jì)算能力將超過(guò)世界上任何計(jì)算機(jī)，能解決任何計(jì)算機(jī)解決不了的問(wèn)題。當(dāng)前，雖然有若干團(tuán)隊(duì)集中精力實(shí)現(xiàn)，但尚未取得成功。 另一個(gè)重要的里程碑是創(chuàng)造一臺(tái)商業(yè)上實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，它需要一個(gè)比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)更有效率地執(zhí)行至少一個(gè)實(shí)際任務(wù)的QC。雖然這個(gè)里程碑在理論上比實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)更難，因?yàn)樗懻摰膽?yīng)用必須比現(xiàn)有的經(jīng)典方法更好，更有用。證明量子霸權(quán)也許是困難的，特別是對(duì)于模擬QC。因此，在量子霸權(quán)被證明之前，有可能出現(xiàn)有用的應(yīng)用。另一個(gè)主要里程碑是在QC上部署QEC以創(chuàng)建錯(cuò)誤率顯著降低的邏輯量子位， 這也是創(chuàng)建完全錯(cuò)誤校正機(jī)器的第一步。 監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)展的指標(biāo) 通過(guò)跟蹤定義量子處理器質(zhì)量的關(guān)鍵屬性，可以監(jiān)控基于門(mén)的量子計(jì)算的進(jìn)展：?jiǎn)瘟孔游缓碗p量子位運(yùn)算的有效錯(cuò)誤率，量子位之間的連接性，以及包含在單個(gè)硬件模塊中的量子位的數(shù)目。盡管現(xiàn)在預(yù)測(cè)可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)的時(shí)間還為時(shí)過(guò)早，相反，可通過(guò)以恒定的平均門(mén)錯(cuò)誤率監(jiān)視物理量子位的擴(kuò)展率(the scaling rate)，在短期內(nèi)跟蹤進(jìn)展，并通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)所表示的邏輯(糾錯(cuò))量子位的有效數(shù)量來(lái)跟蹤長(zhǎng)期進(jìn)展。 保持投入是關(guān)鍵 如果量子計(jì)算機(jī)近期不能在商業(yè)成功，政府資助對(duì)于防止這一領(lǐng)域研發(fā)顯著下降是必不可少的。顯然，全世界正在努力開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)和其他量子技術(shù)。一些國(guó)家最近作出了巨大的資源承諾，如果想保持領(lǐng)導(dǎo)地位，提供支持至關(guān)重要。此外，還需要大規(guī)模協(xié)調(diào)一致、跨越多學(xué)科的工作，包括基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)展和工程上的新策略。 量子計(jì)算機(jī)與密碼學(xué) 密碼學(xué)依賴于難以計(jì)算的問(wèn)題來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)，量子計(jì)算將對(duì)密碼學(xué)產(chǎn)生重大影響，但鑒于其當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在未來(lái)十年內(nèi)預(yù)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)能危害RSA 2048或可比較的基于離散對(duì)數(shù)的公鑰密碼系統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)。但運(yùn)行在大型量子計(jì)算機(jī)上的肖爾（Shor）算法將大大減少非對(duì)稱密碼中提取私鑰所需的計(jì)算（工作因子）。因此，需要盡快著手應(yīng)對(duì)后量子密碼時(shí)代的到來(lái)。 因此，即使能夠解密當(dāng)前密碼的量子計(jì)算機(jī)要等到十多年才能誕生，但其危害實(shí)在太大，并且過(guò)渡到新的安全協(xié)議也有很大的不確定性。因此，優(yōu)先開(kāi)發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和部署后量子時(shí)代密碼技術(shù)，對(duì)于最小化潛在的安全和隱私災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。事實(shí)上，各國(guó)也正在積極努力開(kāi)發(fā)量子后密碼學(xué)，即量子計(jì)算機(jī)無(wú)法破解的非對(duì)稱密碼。 量子計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)與收益 實(shí)現(xiàn)QC仍存在重大的技術(shù)障礙，并且不能保證能克服。構(gòu)建和使用QC，不僅需要設(shè)備工程，而且需要會(huì)聚許多學(xué)科的基礎(chǔ)進(jìn)展——從計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)到物理、化學(xué)和材料科學(xué)。量子計(jì)算對(duì)于推動(dòng)基礎(chǔ)研究是有價(jià)值的，例如，物理學(xué)進(jìn)展(在量子重力領(lǐng)域)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)科學(xué)進(jìn)展（經(jīng)典算法的改進(jìn)）。 創(chuàng)建一個(gè)大的、糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)面臨的挑戰(zhàn)是顯然的。成功的量子計(jì)算將需要對(duì)量子相干性的空前控制，通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的工具和技術(shù)，或者甚至通過(guò)開(kāi)發(fā)新的工具和技術(shù)，來(lái)推動(dòng)可能的邊界。同樣，依賴于量子相干控制的相關(guān)技術(shù)，例如量子傳感和量子通信，也可以被推動(dòng)進(jìn)展。 量子計(jì)算除了有潛在的知識(shí)進(jìn)步和社會(huì)效益，其對(duì)國(guó)家安全也有影響。任何擁有大規(guī)模、實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的實(shí)體都可以打破當(dāng)今的不對(duì)稱密碼系統(tǒng)。各國(guó)已經(jīng)意識(shí)到這種風(fēng)險(xiǎn)，紛紛開(kāi)始努力創(chuàng)建和部署對(duì)量子密碼分析具有魯棒性的密碼系統(tǒng)。歷史上，經(jīng)典計(jì)算對(duì)整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生了革命性的影響，雖然將量子算法應(yīng)用于工業(yè)和研究應(yīng)用的潛力才剛剛開(kāi)始探索，但顯然量子計(jì)算具有超越當(dāng)前計(jì)算邊界的潛力。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，支持強(qiáng)大的QC研究具有戰(zhàn)略價(jià)值。 結(jié)論 基于對(duì)迄今為止有關(guān)量子計(jì)算進(jìn)展的公開(kāi)可得信息，我們有理由相信人們可構(gòu)建大型容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。然而，在構(gòu)建這樣一個(gè)系統(tǒng)，并將其部署到實(shí)際以完成一項(xiàng)有價(jià)值的任務(wù)的道路上，仍然存在重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。但不論何時(shí)或是否能實(shí)現(xiàn)大型糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，顯然都將極大地推動(dòng)人類知識(shí)進(jìn)步，改變我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。 |
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