量子霸权真的要来了吗？美国科学家：我觉得你想太多

作者：俄克拉荷马州立大学电子与计算机工程董事教授Subhash Kak

今年秋天，谷歌大张旗鼓地宣布它已经证明了“量子霸权”，也就是说，它执行特定量子计算的速度已经远远快于最好的经典计算机所能达到的速度。但IBM随即对这一说法提出了批评，IBM称，它自己的经典超级计算机就可以以几乎相同的速度来进行特定的量子计算，并且精度还要高得多，因此，人们对谷歌的声明应该要“抱有极大的怀疑”。

这并不是第一次有人质疑量子计算了。去年，法国蒙彼利埃大学(University of Montpellier)的理论物理学家 Michel Dyakonov在电气与计算机工程的旗舰期刊《IEEE Spectrum》上发表了的一篇文章，文章中提出了大量的技术理由，说明为什么我们永远都不会制造出实用的量子计算机。

那么你是怎样理解现在发生的事情的呢?

作为一个深耕量子计算领域多年的人，我（作者）相信，由于硬件中无法避免的随机错误，实用的量子计算机不太可能可以被制造出来。

量子计算机是什么?

想要知道为什么，你首先需要知道量子计算机的工作方式，它们和经典计算机有着根本的不同。

经典计算机使用0和1来存储数据，这些数字可以是电路中不同点上的电压。而量子计算机依靠量子比特(也被称为量子位)来工作，你可以把它们想象成与振幅和相位相关的波。

量子位有非常特殊的性质：它们可以以叠加的形式存在，它们可以同时是0和1，它们可以发生量子纠缠，因此，即使它们之间相隔很远，它们也会具有相同的物理性质。当实验者与量子态相互作用时，这种叠加就会消失。这种行为在经典物理学中是不存在的。

由于叠加状态，一个有100个量子位的量子计算机可以同时表示2100个解。对于某些问题，这种指数并行性还可以创造巨大的速度优势。比如说，一些代码破解问题如果使用量子计算机解决的的话，解决速度可以以指数级增加。

除此之外还有另一种更狭义的量子计算方法，这种方法被称为量子退火法(quantum annealing)，这种方法会使用到量子位来加速优化问题。总部位于加拿大的D-Wave系统公司已经建立了使用量子位来实现这个目的的系统，不过批评者声称，这些系统并没有比传统计算机好多少。

但无论如何，多个国家和公司都已经在量子计算领域上投入了大量的资金。中国已经建立了一个价值100亿美元的新量子研究设施;而欧盟也已经制定了价值10亿欧元(11亿美元)的量子总体计划;美国国家量子倡议法案也提供了12亿美元，旨在于5年内促进量子信息科学的发展。

对许多国家来说，破解加密算法是一个强大的激励因素，如果他们能成功破解加密算法的话，这将给他们带来巨大的情报优势。但这些投资同时也促进了物理学基础研究的发展。

而除了谷歌和IBM之外，包括英特尔和微软在内的许多公司都在努力建造量子计算机。这些公司正在试图制造能够复刻经典计算机电路模型的硬件。然而，目前的实验量子系统只有不到100个量子位，为了获得实用的计算性能，你可能需要具有数十万个量子位的系统。

误差校正

支撑量子算法的数学已经建立得很好了，剩下的就只有令人生畏的工程挑战。

为了使计算机正常工作，所有的随机小误差都必须得到纠正。而在量子计算机中，这种误差产生于非理想电路元件以及量子位元与周围环境的相互作用。出于这些原因，量子位可能会在几分之一秒内失去相干性，因此，这就要求计算必须要在更短的时间内完成。如果这些随机错误(在任何物理系统中都是不可避免的)没有得到纠正的话，计算机的结果将会变得毫无价值。

在传统的计算机中，小的误差可以通过阈值的概念来修正，这就像数字的四舍五入。因此，在已知误差小于0.5的整数传输中，如果接收到的是3.45，则接收到的值就可以被更正为3。

进一步的误差可以通过引入冗余来纠正。如果0和1被传输为000和111的话，那么在最多出现一个错误位的传输过程中，这些误差就可以轻易地得到纠正，例如，接收到的001将被解释为0，而接收到的101将被解释为1。

量子纠错码是经典纠错码的泛化，但两者之间存在着重要的区别。首先，未知的量子位元不能被复制成合并的冗余来作为一项误差修正技术。此外，在引入纠错码之前，传入数据中出现的错误是无法纠正的。

量子密码学

虽然误差问题在量子计算机中是一个严重的挑战，但量子密码学却没有这样的烦恼。人们在量子密码学中只需要与单个量子位打交道，而单个量子位可以在相当长的时间内与环境保持隔离。使用量子密码学，两个用户可以在没有人能够破坏密钥交换系统的情况下交换密钥。这种密钥交换可以帮助确保卫星和军舰之间的通信安全。但是密钥交换之后使用的实际加密算法仍然是经典的算法，因此理论上量子加密并不比经典方法强。

量子密码学在商业上的应用也只仅限于高价值的银行交易。但由于双方必须使用经典协议进行身份验证，根据木桶理论，它与现有的系统也就没有太大的区别。银行目前仍在使用基于经典方法的身份验证过程，该过程本身也可以在不丢失整体安全性的前提下交换密钥。

如果量子密码学技术要变得比现有的密码学技术更安全的话，它就必须要把重点转移到信息的量子传输上。

商用量子计算的挑战

如果量子传输的问题可以得到解决的话，那量子密码学还是有一点潜力的，但我认为量子计算商用就是另一回事了。纠错是多用途计算机的基础，但在量子计算机中，纠错是一个非常巨大的挑战，所以我不相信人类可以制造出商用量子计算机。