其實(shí)有很多關(guān)于量子計(jì)算的科普文章，我之前也寫過，但是這篇文章的視角略有不同:我們?yōu)槭裁葱枰孔佑?jì)算為什么這幾年這么受關(guān)注如果能回答這些問題，可能會(huì)讓一些人松一口氣，量子計(jì)算不是科學(xué)家的狂想曲，而是這個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物正如量子力學(xué)和相對(duì)論是人類在20世紀(jì)留下的輝煌印記一樣，量子計(jì)算也可能成為人類在21世紀(jì)留下的又一個(gè)永恒印記

我們生活在計(jì)算機(jī)時(shí)代。

人類對(duì)計(jì)算能力的渴望是無止境的計(jì)算能力的提高從綁繩子的時(shí)候就和文明的進(jìn)步息息相關(guān)，古希臘的畢達(dá)哥拉斯學(xué)派甚至把它當(dāng)成真理今天，我們?nèi)绱肆?xí)慣于計(jì)算的好處，以至于大多數(shù)人都忽略了它的偉大當(dāng)我們?cè)谄聊簧匣瑒?dòng)，輸入一個(gè)關(guān)鍵詞，搜索引擎就會(huì)彈出我們想要的結(jié)果，這些操作可以在幾秒鐘內(nèi)完成有多少人知道這背后經(jīng)過了多少算計(jì)有多少人知道，在我們興高采烈地喝著，刷著小視頻的時(shí)候，機(jī)器正在拼命計(jì)算下一個(gè)視頻推送給你目前疫情嚴(yán)峻的時(shí)候，我們每個(gè)人都配合著掃碼，查核酸有多少人能感知到計(jì)算在抗擊疫情中的巨大成就如今，我們的計(jì)算能力已經(jīng)達(dá)到了頂峰，機(jī)器已經(jīng)攻克了人類引以為傲的最后一座智力堡壘——圍棋接下來，機(jī)器還試圖征服自動(dòng)駕駛和超宇宙可以說我們生活在一個(gè)計(jì)算的時(shí)代

印加文明筆記:芯片

今天的超級(jí)計(jì)算能力，要?dú)w功于一種叫做晶體管的非線性元件，這種元件由自然界最普通的材料——硅制成，卻濃縮了人類的頂級(jí)智慧它在我們身邊無處不在，卻誕生在最干凈無塵的工廠里它如此迅速地改變了我們的生活，但現(xiàn)在我們?cè)谥袊l(fā)現(xiàn)自己被別人控制了這是芯片

在頂級(jí)硅半導(dǎo)體芯片中，數(shù)百億個(gè)晶體管根據(jù)這種被稱為布爾代數(shù)的二進(jìn)制邏輯運(yùn)行這種邏輯效率不高，但非常靈活通用，以至于摩爾定律在50多年的指數(shù)級(jí)增長后，消滅了所有對(duì)手，幾乎成為唯一的計(jì)算工具

摩爾定律提出50多年了，到今天依然成立，對(duì)應(yīng)的計(jì)算能力也在成倍增長伴隨著晶體管的尺寸越來越小，逼近納米級(jí)，摩爾定律遲早會(huì)走到盡頭，這其實(shí)是老生常談我想說的是，在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，即使摩爾定律長期有效，但事實(shí)上，計(jì)算能力的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)膨脹的速度我們通過計(jì)算可以從互聯(lián)網(wǎng)上挖掘的信息量，和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際包含的信息量相比，會(huì)少得可憐如果我們把數(shù)據(jù)想象成一座礦山，把計(jì)算能力想象成挖掘機(jī)，挖掘機(jī)在礦山面前會(huì)越來越小在這種情況下，人類對(duì)超越當(dāng)前范式的新計(jì)算能力的需求呼之欲出在這樣的背景下，我們也能理解為什么谷歌這樣的公司如此重視量子計(jì)算，不惜自己下水因?yàn)樗鼡碛械V山

摩爾定律50年量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)

說到這里，話題終于來到了量子計(jì)算很多人一聽說量子，就很容易聯(lián)想到神秘現(xiàn)象什么既是波又是粒子，什么瞬間運(yùn)動(dòng)，其實(shí)是不必要的和人談量子，最怕陷入虛無主義，認(rèn)知論等討論，因?yàn)槲移鋵?shí)是個(gè)實(shí)驗(yàn)者，不是哲學(xué)家我喜歡從實(shí)用主義的角度來看待量子:它準(zhǔn)確地描述了物質(zhì)底層的行為模式，到現(xiàn)在還是很準(zhǔn)的好吧，讓我們看看在量子規(guī)則下我們能做什么非凡的事情用量子來做計(jì)算，絕對(duì)是上個(gè)世紀(jì)最大膽的想法之一，因?yàn)樵谀莻€(gè)年代，控制量子世界的能力和現(xiàn)在有天壤之別，以至于最初的幾個(gè)重要的量子算法，包括Shor算法和Grover算法，其實(shí)都是數(shù)學(xué)家創(chuàng)造的——他們把這個(gè)當(dāng)做數(shù)學(xué)玩具來研究，從來沒有想過實(shí)現(xiàn)的問題

在21世紀(jì)，情況完全不同2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了塞爾日·阿羅什和大衛(wèi)·j·懷恩蘭德，以表彰他們?cè)跍y量和操縱獨(dú)立量子系統(tǒng)方面取得的突破性實(shí)驗(yàn)進(jìn)展他們第一次捕獲了原子，利用光與原子的相互作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子量子態(tài)的操縱和測量——這實(shí)際上是離子阱中量子計(jì)算的開始這項(xiàng)工作打開了操縱和讀取量子態(tài)的大門，也點(diǎn)燃了在物理學(xué)中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的希望之火從此，量子比特，量子門，量子計(jì)算不僅僅停留在數(shù)學(xué)和理論的階段

2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主

在世紀(jì)之交，還有一個(gè)重要的突破日本理化學(xué)研究所蔡研究組首次在超導(dǎo)島上發(fā)現(xiàn)量子振蕩與哈羅徹和瓦內(nèi)蘭的工作最大的不同是，此時(shí)的量子系統(tǒng)是一個(gè)宏觀量子系統(tǒng)——宏觀電子共同參與整個(gè)量子過程這個(gè)超導(dǎo)庫伯盒就是超導(dǎo)量子計(jì)算的前身，最受關(guān)注的量子計(jì)算候選之一宏觀系統(tǒng)易于操控和讀取，其制造工藝在很大程度上與半導(dǎo)體芯片兼容，這導(dǎo)致了這一系統(tǒng)在隨后的十幾年里具有超強(qiáng)的生命力

早期的超導(dǎo)量子比特，包括上面提到的庫伯—盒子，磁通量量子比特和相位量子比特，解決了很多與操縱，耦合和讀取相關(guān)的技術(shù)問題，但始終受困于一個(gè)重要的指標(biāo)——退相干時(shí)間退相干時(shí)間是指系統(tǒng)量子消失并趨向經(jīng)典系統(tǒng)的特征時(shí)間我們知道沒有一個(gè)系統(tǒng)是完全孤立的否則，這個(gè)系統(tǒng)就像不存在一樣，更不是孤立的一個(gè)能夠計(jì)算的量子位它必須與外界互動(dòng)否則，我們?nèi)绾尾倏v它和測量它相互作用必然導(dǎo)致量子信息的丟失自然粒子，比如原子，可以有很長的壽命，它們只和光子有很弱的相互作用，這就成了一把雙刃劍:因?yàn)橄嗷プ饔煤苋酰粤孔訉傩院軓?qiáng)，同時(shí)，由于弱相互作用，我們很難操縱和測量它這部分解釋了為什么哈羅徹和瓦內(nèi)蘭的工作獲得了諾貝爾獎(jiǎng)——這真的太難了

超導(dǎo)量子位的情況正好相反量子位的超精細(xì)能級(jí)是由宏觀庫珀對(duì)的集體行為引起的它是在一個(gè)宏觀的固體體系中，這里的環(huán)境比單個(gè)原子惡劣得多不知從哪里來的光子，殘留的電子，外部電磁場擾動(dòng)產(chǎn)生的電荷，磁場變化都會(huì)影響量子位另外，它是一個(gè)宏觀自由度，所以與這些外部自由度的耦合強(qiáng)度也很強(qiáng)，導(dǎo)致量子比特信息在極短的時(shí)間內(nèi)丟失

2007年，退相干的時(shí)間迎來了轉(zhuǎn)折點(diǎn)當(dāng)時(shí)該領(lǐng)域的科學(xué)家已經(jīng)注意到了增加電容對(duì)抑制電荷噪聲的作用，而耶魯大學(xué)的Koch和我國的尤強(qiáng)劍分別在庫珀對(duì)盒系統(tǒng)和磁通量子比特系統(tǒng)中系統(tǒng)地研究了增加旁路電容對(duì)改善退相干時(shí)間的作用前者是目前流行的transmon量子比特此后，超導(dǎo)量子比特的消相干時(shí)間迅速達(dá)到了10微秒到100微秒的量級(jí)，與10納秒的操控時(shí)間相比，這是一個(gè)非常長的時(shí)間隨后，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Martinis小組迅速提出了基于transmon量子比特的可擴(kuò)展方案和系統(tǒng)化電子解決方案，為超導(dǎo)量子計(jì)算進(jìn)入工程領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)后來的故事是，這個(gè)團(tuán)體加入谷歌，為谷歌打造了梧桐芯片，創(chuàng)造了轟動(dòng)一時(shí)的量子霸權(quán)里程碑這個(gè)故事可以在一期上發(fā)表先按下按鈕

谷歌的西克莫芯片

總之，時(shí)至今日，量子計(jì)算已經(jīng)從數(shù)學(xué)家的玩具，理論物理學(xué)家的設(shè)想逐漸變成了現(xiàn)實(shí)有很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和工程師的努力，在外人看來很難人道無論如何，有了這些實(shí)驗(yàn)，有了技術(shù)進(jìn)步和積累，我們就有資格談?wù)摿孔佑?jì)算的未來，吹噓量子計(jì)算將如何碾壓傳統(tǒng)計(jì)算

量子計(jì)算的力量

比特的概念源于香農(nóng)的信息論，有資料顯示，這個(gè)概念是數(shù)學(xué)家更早創(chuàng)造的它用于表示二進(jìn)制代數(shù)邏輯中的最小信息單元在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中，信息是以比特為單位進(jìn)行編碼，處理，傳輸和獲取的在量子世界中，信息的最小單位成為量子比特，也是信息編碼，處理，傳輸和獲取的單位，但現(xiàn)在是在量子領(lǐng)域進(jìn)行邏輯上是可以相干疊加的雙態(tài)系統(tǒng)，在物理上，它是一個(gè)可區(qū)分的二能級(jí)系統(tǒng)多個(gè)量子位一起可以形成一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)如果他們能糾纏在一起，那就是見證奇跡的時(shí)刻

糾纏是量子世界獨(dú)有的它隱藏著非常深?yuàn)W的物理，至今無法完全理解，但我們通過大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了它的存在以兩個(gè)量子位形成的復(fù)合系統(tǒng)為例:這個(gè)系統(tǒng)可以處于某個(gè)量子態(tài)這時(shí)，如果你把它們作為一個(gè)整體，系統(tǒng)就是量子的，但是一旦你單獨(dú)看一個(gè)量子位，系統(tǒng)就不再是量子的了換句話說，復(fù)合系統(tǒng)只能被視為一個(gè)整體，而不能從其子系統(tǒng)中獲得任何信息數(shù)學(xué)上，糾纏系統(tǒng)開辟了一個(gè)更大的直積空間，這個(gè)直積空間的維數(shù)伴隨著比特?cái)?shù)呈指數(shù)增長下面是幾個(gè)嚇人的數(shù)字:當(dāng)N=50時(shí)，這個(gè)空間的維數(shù)大約等于最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)一秒鐘的計(jì)算次數(shù)，當(dāng)N=300時(shí)，維度已經(jīng)超過了整個(gè)已知宇宙中所有原子的總和

糾纏導(dǎo)致的這種恐怖的維度膨脹為計(jì)算問題提供了巨大的編碼空間，使得一些問題在更高維度中尋求更高效的解決方案經(jīng)過一百多年的發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和理論已經(jīng)能夠高效地解決很多問題，但是仍然有很多問題無法解決，比如天氣預(yù)報(bào)，股票價(jià)格，癌癥藥物如果這些問題都能夠被精確計(jì)算，那么我們的世界將會(huì)變得特別美好，也許還會(huì)特別無聊比如我們可以精確的計(jì)算出國足下一場比賽會(huì)輸多少次可惜量子計(jì)算也解決不了這些問題好吧，那我們?yōu)槭裁匆@么麻煩！別擔(dān)心，我們發(fā)現(xiàn)有些問題在量子計(jì)算的框架下可以用驚人的效率解決，這些問題意義重大

其中之一就是著名的Shor算法在今天的互聯(lián)網(wǎng)中，我們?yōu)g覽網(wǎng)頁，輸入用戶名和密碼怎樣才能保證不會(huì)被別人偷看怎樣才能防止別人竊取我們的銀行卡密碼有人說，蓋起來其實(shí)在互聯(lián)網(wǎng)上，沒有加密系統(tǒng)的保護(hù)，這些信息幾乎是透明的互聯(lián)網(wǎng)的另一個(gè)特點(diǎn)是，信息可以瞬間傳到地球的任何一個(gè)角落:偷看你密碼的人，此時(shí)可能正在毛里求斯抱著腳喝椰子水傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)加密不適合互聯(lián)網(wǎng)伴隨著節(jié)點(diǎn)的增加，光加密將是一場災(zāi)難一種非對(duì)稱加密系統(tǒng)——RSA密碼有效地解決了這個(gè)問題不對(duì)稱是指加密和解密使用的密鑰不同:一個(gè)私鑰，用于解密，用于加密的公鑰公鑰是公開的，任何人都可以獲得如果李四要給張三發(fā)送一條無法形容的消息，需要用張三公布的公鑰加密張三收到后，用私鑰打開就可以享用了這時(shí)候，如果一個(gè)王五暗中覬覦這些資料，對(duì)不起，他雖然可以拿到手里的公鑰，但是沒有私鑰無論如何也打不開因?yàn)槿魏蜗牒蛷埲ㄐ诺娜硕伎梢怨蚕硪粋€(gè)公鑰，這個(gè)加密系統(tǒng)大大節(jié)省了所需的密鑰資源

這個(gè)加密系統(tǒng)保護(hù)了互聯(lián)網(wǎng)很多年，很少出錯(cuò)而它的加密原理來自于一個(gè)數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn):大數(shù)不可分原理兩個(gè)已知的大質(zhì)數(shù)，相乘得到一個(gè)更大的數(shù)，細(xì)心的初中生就能算出結(jié)果但另一方面，我告訴你乘法的結(jié)果，問你兩個(gè)質(zhì)數(shù)相乘的是哪兩個(gè)頂級(jí)數(shù)學(xué)家都要傻眼了目前人類最得意的戰(zhàn)績是破解RSA—768

1230186684530117755130494958384962720772853569595334792197322452151726400507263657518745202199786469389956474942774063845925192557326303453731548268507 917026122142913461670429214311602221240479274737794080665351419597459856902143413

33478071698956898786044169848212690817704794983713768568912431388982883793878002287614711652531743087737814467999489

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目前常用的是RSA—1024和RSA—2048，后面的數(shù)字是指數(shù)因?yàn)榻鉀Q這個(gè)問題的難度是伴隨著問題的規(guī)模指數(shù)而增加的，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)只能巍然屹立，望塵莫及

Shor算法得益于量子傅里葉變換的指數(shù)加速，可以在擬多項(xiàng)式的困難下解決上述問題本來要幾百萬年才能破解，直接縮減到秒量級(jí)——降維Shor算法很可怕，但在20世紀(jì)不會(huì)是問題:用當(dāng)時(shí)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)Shor算法比去火星還難

現(xiàn)在情況不一樣了，以前一直啰嗦每個(gè)人都很害怕，因?yàn)槊艽a世界里最讓人頭疼的一個(gè)問題是，你永遠(yuǎn)不確定你的密碼是否被破解了另外，現(xiàn)在無法破解的密碼可以保存，即使20年后被破解，殺傷力也足夠了所以Shor算法的出現(xiàn)，尤其是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性，迫使人們積極尋找新的加密形式中國偏愛量子通信，在這方面領(lǐng)先世界，而美國人偏愛量子密碼，歐洲人不想玩...總而言之，這是一個(gè)亟待解決的問題如果任何一方先固定了破解方式，國際制衡就會(huì)瞬間被打破，后果不堪設(shè)想

另一個(gè)有用的量子算法是Grover算法:在非結(jié)構(gòu)化數(shù)組中搜索目標(biāo)比經(jīng)典算法快n倍，n是數(shù)組的長度這種加速能力相比Shor算法相形見絀，但或許這種算法更有用，因?yàn)樗阉鲉栴}是解決很多問題的基礎(chǔ)，是挖掘信息的重要手段當(dāng)n很大時(shí)，這種算法的好處是非常顯著的現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上每時(shí)每刻產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，不就對(duì)應(yīng)了這種非常大的情況嗎

長時(shí)間運(yùn)行

夸下海口之后，我們不得不面對(duì)現(xiàn)實(shí):上述兩種算法，以及它們的衍生算法，對(duì)操控和讀取錯(cuò)誤率的要求極高，幾乎要求量子位完美無誤問題是任何物理系統(tǒng)都會(huì)出錯(cuò)，任何實(shí)際操作都是準(zhǔn)確的我們可以通過制造一定的冗余來實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)，這也是早期傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)研究中的一個(gè)重要課題有趣的是，如今半導(dǎo)體芯片出錯(cuò)的概率如此之低，糾錯(cuò)變得完全沒有必要就在這些糾錯(cuò)的理論遺產(chǎn)即將丟失的時(shí)候，量子計(jì)算繼承了它們

量子糾錯(cuò)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的一大挑戰(zhàn)，短時(shí)間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)即使找到表面編碼等拓?fù)浯a糾錯(cuò)技術(shù)，也能把糾錯(cuò)要求降低到當(dāng)今技術(shù)可接受的水平這是一個(gè)非常復(fù)雜的科學(xué)與工程的交叉問題只有當(dāng)比特?cái)?shù)達(dá)到1000的規(guī)模，操縱，隔離，讀取等技術(shù)同步進(jìn)步，那么也許我們才能真正面對(duì)這個(gè)問題

在此期間，是否應(yīng)該耐心等待量子糾錯(cuò)的突破其實(shí)并不是所有人都這樣目前，整個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師都更加關(guān)注有噪聲的中尺度量子計(jì)算這個(gè)思路就是根據(jù)目前量子硬件的水平，允許噪聲的存在，尋找有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的量子算法或者量子模擬方法因此，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是基于經(jīng)典—量子混合計(jì)算的可變分量子算法和量子近似優(yōu)化算法它們的應(yīng)用場景包括量子化學(xué)計(jì)算，金融投資組合優(yōu)化，人工智能等一旦在某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了量子優(yōu)勢，我們對(duì)量子計(jì)算的信心就能持久，吸引更多的資金和人才加入，進(jìn)而克服量子糾錯(cuò)等困難

去修遠(yuǎn)的路很長！我會(huì)上下搜索量子計(jì)算是一條艱難的路我們?cè)谧钋把兀床坏角斑M(jìn)的方向也許我們會(huì)闖入迷宮，我拔出我的匕首，我徒勞地窺視四個(gè)方向，也許我們會(huì)穿過迷霧，向前看前方的路！有人認(rèn)為這是國與國之間的較量，但我認(rèn)為這是人類精神的一次閃耀我們可能會(huì)失敗，但我們不會(huì)低頭

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