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六问量子计算

  曾经飘在物理大厦上空的“两朵乌云”中的一朵——量子力学——已经开启人类信息革命的新维度,量子计算成为国际科技竞速的新赛道。

  近日,全球最大的预印本系统arVix上一篇名为《利用超导量子处理器实现强量子计算优越性》的论文引发国外网友关注。中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志研究团队设计并构造了62个量子比特的可编程超导量子计算原型机,并选取了其中的56个量子比特来展示随机电路采样,取得了比当年谷歌“悬铃木号”处理器53个量子比特高2~3个数量级的量子优越性。

  论文指出,在中国量子计算机“祖冲之号”上,将现存功能最强大的超级计算机需8年完成的任务样本压缩至最短1.2个小时内完成,用实验验证了使用超导量子位达成“量子优势”。

  就在中科大发布此次成果的第二天,IBM宣布了其在量子领域的下一步计划,即将在2023年之前建立一个有1211个量子比特的系统,未来更将向100万以上量子比特的系统发起挑战。

  一场量子计算领域的竞速,早已在你追我赶中拉开大幕。

 

什么是量子优势?

  量子力学自问世以来,已先后孕育出原子弹、激光、核磁共振等技术,成为20世纪最重要的科学发现之一。进入21世纪,量子科技又催生了量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术,这些新兴技术有可能极大改变人类获取、传输和处理信息的方式。

  量子计算的概念最早由物理学家费曼提出。1985年,牛津大学教授戴维·多伊奇进一步发展了费曼的构想,通过“量子线路”方法,将经典计算机中负责运算处理的逻辑门扩展到了量子力学领域。上世纪90年代,Shor算法和Grover算法证明了量子计算在速度方面拥有经典计算无法比拟的优势。

  量子优势也被称为量子霸权,这个概念是加州理工学院教授约翰·普雷斯基尔2012年提出来的。目前常用的展示量子优势或量子霸权的问题,一个是阿伦森和阿尔希波夫提议的玻色子抽样,也就是光子通过线性光学网络,对出射光子的量子态进行测量,这个问题在一定假设下传统计算机是很难处理的;另一个问题是谷歌之前采用的随机量子线路抽样,即对于一个随机而确定的量子线路,通过采样方法得到比特串集合,并实现此集合中比特串的几率分布对应于量子线路的几率分布。

 

谁实现了量子优势?

  2019年9月,谷歌在53个量子比特的量子计算机上用时200秒完成了随机量子线路采样。谷歌宣称,这项任务用当今最强大的超级计算机也需耗费上万年才能完成。尽管这之后IBM的科学家通过优化算法,其超级计算机仅仅用了2.5天就完成了前述任务,但也足以说明,在量子线路采样方面,谷歌确实实现了量子优势。而本次中科大团队的“祖冲之号”完成的也是随机量子线路采样,同样实现了量子优势。

  早在2020年12月,潘建伟团队就成功构建的76个光子的量子计算原型机“九章”,只用200秒就完成了高斯玻色取样,比目前最快的超级计算机快100万亿倍,比谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机快100亿倍。因此中国在2020年底就成为了全球第二个实现量子优势的国家。

  实现量子优势,代表着超越经典的量子计算能力从理论证明走进了实验验证,标志着计算能力飞跃发展的新时代的开始。

 

量子计算有哪些技术路线?

  目前国际学术界量子计算领域的主流技术路线有超导、半导体、离子阱、光学和量子拓扑,每条路线有各自的优势和劣势,但任何一条路线都没能完全满足实用化要求并趋向技术收敛。其中,前4条技术路线均已制作出物理原型机,而量子拓扑这一方向尚无物理层面的实现。

  超导被认为是量子计算最有希望也最有可能出成果的一条路线,它也是目前进展最快最好的。超导路线的优势是可扩展性好,固态器件、电学方向能够使未来的量子计算与经典的计算机相兼容。谷歌、IBM、英特尔等巨头的量子计算路线目前都押注在超导或者半导体方向。超导路线也备受Quantum Circuits、里格蒂计算等量子领域新锐公司以及国内本源量子、北京量子院等公司和机构的青睐。

  超导路线的核心是集成更多量子比特,同时提升超导量子比特性能,实现高精度相干操控更多量子比特,进而完成在特定问题处理上的加速,并最终应用到实际问题中。近年来,相关公司和机构在这个方向上取得了一系列科研进展。

  2016年12月,潘建伟团队首次实现了10个光子比特和10个超导量子比特的纠缠;2017年11月,IBM首次构建了50个量子比特的处理器;2018年3月,谷歌发布了Bristlecone量子芯片,实现了72个量子比特长度上的单比特门操纵,最佳保真度达到了99.9%;2019年1月,清华大学首次利用单量子比特实现了精度为98.8%的量子生成对抗网络,该网络未来可在图像生成等领域得到应用;2019年8月,中科大构建了24个量子比特处理器,并进行了多体量子系统模拟;2020年9月12日,本源量子上线了中国首个接入实体量子计算机的量子计算云平台,迈出了中国量子计算应用的第一步。

  当然,超导路线也有其不足。超导量子态易于操控和读取,其量子态也易于与环境发生耦合,导致相干性快速退化。最早的超导量子比特寿命不到10纳秒(1纳秒为1秒的十亿分之一),虽然能够看到相干演化,但难以准确操控。如何在介观尺度固态器件复杂的电磁环境中抑制各种噪声影响,解决退相干问题,就成为早期超导量子电路研究的重点。

 

“祖冲之号”为什么牛?

  除了读取发生错误概率、单比特操作错误概率和双比特操作错误概率等指标外,在比特的相干时间上,“祖冲之号”也比谷歌“悬铃木号”有明显提高。在技术工艺上,“祖冲之号”本次实验用了倒桩焊工艺,采用了一对四可调耦合结构。这些都是“祖冲之号”的创新之处。

  基于这一体系优异的可编程性质,研究人员实现并深入研究了二维量子随机行走,这是实现更大规模量子模拟,甚至迈向通用量子计算的一条途径。

  “祖冲之号”设计并构造了62个量子比特的可编程超导量子计算原型机,这是目前公开报道的世界上最大量子比特数的超导量子体系。它的问世为量子技术领域的后续研究提供了技术基础,特别是为研究具有重大实用价值的量子计算机开辟了道路。

 

数字货币还安全吗?

  潘建伟院士将量子计算的发展分为三个阶段:第一阶段,即针对一些特殊问题,造出一台比目前计算机更快的量子计算机,也就是实现量子霸权;第二阶段,希望能够操纵几百个量子比特,实现一种专用的量子模拟机,用于高温超导机制、特殊材料设计等目前计算机无法处理的问题;第三阶段就是争取未来二三十年造出可编程的通用量子计算机。

  如果通用量子计算机研制成功,或在类似Shor或Grover算法上能够实现量子霸权,那么量子计算将对现有密码和安全体制带来颠覆性影响,甚至会重构整个密码与安全体制。从当前技术进展来看,量子计算将对目前密码算法中的非对称密码算法和哈希函数带来致命性影响。非对称密码被认为是现代密码学中唯一的重大发现,被广泛应用在身份认证、数据来源认证、密钥传输等场景。哈希函数也在现代密码与安全体制中被广泛使用,以确保传输中数据的完整性。

  因此,如果量子计算能够得到真正应用,建立在非对称密码和哈希函数基础上的数字货币,其安全性也自然会被颠覆,整个数字货币系统的安全性更将不复存在。当然,受到影响的,绝不仅仅是数字货币,与现代密码学相关的所有领域和环节,都将受到重大影响和颠覆。

 

通用量子计算机还有多远?

  通用量子计算机既然能给现代密码学带来如此大的冲击,为何密码学专家们并未因此恐慌?那是因为,目前大规模量子比特的物理实现、量子纠错编码、量子算法软件等关键技术仍处于艰难的研究拓展阶段,量子计算技术研究与应用也仍处于非常早期的发展阶段。

  现阶段,各国科研团队研发的都是用于解决特定问题的专用机,只需相对少量物理比特和特定算法,实现相对容易。而通用量子计算机则需要上百万甚至更多物理比特,对容错能力要求高,同时也需要相应通用的量子算法和软件支撑,因此注定是一个长期过程。

  实际上,量子计算目前只在部分经典计算不能或难以解决的问题上具备理论优势,并非在所有问题的解决上都优于经典计算。量子系统自身的脆弱性对计算准确度影响较大,现有系统的相干时间、量子比特数量和操控精度还不足以运行已有的高级量子算法,量子计算超越经典计算的优势尚未得到充分证明。同时,对量子的操控仍需经典计算机辅助。因此,在未来相当长时间内,量子计算都无法完全取代经典计算,两者将长期并存。

 

本文发表于2021年8月11日出版的《环球》杂志 第16期

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