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量子计算进展和前景:美国科学院等机构专家委员会报告总结
关键字: 量子计算机发展前景量子计算机何时会发展成熟,并具有实用商业价值?最近,国外的一些研究指出,答案并不乐观。这给当前许多炒作量子计算的宣传泼了冷水。
11月,IEEE Spectrum上发表了一篇由专家撰写的题为“The Case Against Quantum Computing”的文章(见文末链接1),作者(法国著名物理学家)Mikhail Dyakonov称,在可预见的未来,实用的通用量子计算机不会被制造出来。
不久前,由美国国家科学院、工程院和医学院组建的一个专家委员会向公众发布了长达205页的题为“Quantum Computing: Progress and Prospects”(量子计算:进展和前景)报告(见文末链接2)。该委员会明确表示,在未来十年内,制造出具有实用能力的量子计算机的可能性很微小。
“在接下来的十年里,人们很难建造一台能够危及RSA 2048或类似的离散对数公钥密码系统的量子计算机(Highly Unexpected)。”
该委员会由13名量子计算专家组成,其中包括着加州大学圣巴巴拉分校的John Martinis,他领导着谷歌量子方面的研究工作;芝加哥大学的David Awschalom,他曾在UCSB领导自旋电子学和量子计算中心;以及加州大学伯克利分校量子信息与计算中心共同主管Umesh Vazirani。
值得注意的是,该报告谈到密码学部分只谈PQC(后量子密码技术),一字未提QKD(量子密钥分发,或“量子通信”)。
以下是对该报告总结部分的翻译:
量子力学(Quantum Mechanics),是物理学科专业领域的一个分支,专门研究微小粒子所具有的性质,它为新的计算模式提供了基础。量子计算(QC:Quantum Computing)是在20世纪80年代首次被提出来,借助微小的“量子”行为改进计算模型。20世界90年代,随着肖尔算法(Shor’s Algorithm)的引入,人们对这一领域的兴趣日益浓厚,如果在量子计算机上实现该算法,重要密码的破解速度将以指数的形式加快,但是这个将会对政府与民用通信和数据储存的密码系统产生威胁。事实上,量子计算机是唯一已知的超过现代计算机提供指数级计算速度的计算模型。
在20世纪90年代,这些结论听起来令人很兴奋,但这些结论都是理论上的,没人知道如何用量子系统建造计算机。近25年后的今天,我们已经在控制量子比特(Qubits)方面取得重大的进展,许多研究小组已经证明了小型原理验证量子计算机可行。这项工作使量子计算机领域重获生机,使得大量的私人投资进入该领域。
为什么建造和使用量子计算机具有挑战性
经典计算机使用“位”来表示操作值,而量子计算机使用“量子位”。“位”只能表示0或1,而“量子位”不仅可以表示0或1,还可以表示这两者的某种组合(叠加状态)。在经典计算机中计算状态是由二进制值表示,在相同的情况下,具有相同数量的量子比特的量子计算机可以跨越所有可能的计算状态,在更大的指数空间中进行计算。实现这个空间需要所有的量子位都是内在相互联系的(纠缠),与外部环境有很好的隔离,并且可以得到精确的控制。
过去20多年的创新进展使得科研人员能够建立这一物理系统,这些系统可以精确地控制和隔离量子。到2018年,大多数量子计算机开始使用由超导电路产生的捕获离子和人工“原子”这两种技术,目前还在探索其他的技术,用于实现量子比特。考虑到该领域的快速发展,我们不能仅仅依靠一种技术。
即使有人能够制造出非常高质量的量子比特,但是利用这些建造量子计算机也会有一系列新的挑战。它们的使用与经典计算机不同,需要新的算法、软件、控制技术和硬件。
技术风险
量子比特不能从本质上隔离噪声
经典计算机和量子计算机的主要区别之一是,它们如何处理系统中微小的干扰噪声。因为经典的“位”不是0就是1,即使由于噪声稍微偏离,对信号的操作处理也很容易将噪声消除。实际上,今天用于控制经典计算机的操作位有很大的噪声边际,但是在经典计算机中可以抑制输入端的噪声污染,产生干净无噪声的输出。因为量子位可以是0和1的任意组合,所以量子位不能轻易地隔离物理电路中出现的噪声。因此,创建量子位操作时的小错误或者物理系统中的杂散信号会导致量子计算错误。所以对于操作量子位的系统来说,最重要的设计参数之一是其错误率,低错误率一直很难实现。即使在2018年,已经出现5个或者更多个量子位系统,其错误率也超过几个百分点。在较小的系统中一般可以有效的控制错误率,这种改进的思想需要转移到更大的量子位系统中,这样才能成功的进行量子计算。
无误差的量子计算(QC)需要进行量子误差校正(QEC:Quantum Error Correction)
虽然物理量子比特的操作对噪声很敏感,但是可以在量子计算机中运行量子误差校正算法来模拟无噪声或者完全校正的量子计算。如果没有量子误差校正,像肖尔算法这样复杂的程序就不太可能在量子计算机上准确运行。但是执行量子误差校正算法需要更多的量子比特,使得计算机的开销增大,这虽然对于无错误的量子计算至关重要,但是因为开销过大,短时间内无法适用。并且量子计算机在短期内还是可能出现计算错误。上面这种机器被称为中尺度噪声量子(NISQ)计算机。
大数据无法有效地加载到量子计算中
虽然量子计算机可以使用较少的量子位表示更大量的数据,但是目前还没有一种方法可以将大量的数据转化为量子态。对于大量数据输入的问题,创建输入量子态所需要的时间会占据大部分计算时间,使量子计算的优势大大降低。
量子算法的设计具有挑战性
测量量子计算机的状态需将大量的量子态“折叠”成单个经典结果,这意味着,从量子计算机中所能提取的数据量与从同样大小的经典计算机中提取的数据量相同。但未来想要发挥量子计算机的优势,量子算法必须使用独特的量子特征(如纠缠现象),以获得最终的经典结果。因此,实现量子算法需要全新的设计原则。量子算法的开发是量子计算机实现的一个关键方面。
量子计算机需要新的软件栈
与所有的计算机一样,构建一个实用的设备要比创建这个硬件本身更加复杂——工具需要被构建用来调试量子计算专用软件。由于量子程序不同于经典计算机程序,需要进一步研究和开发软件工具栈。由于软件工具驱动硬件运行,所以软件和硬件工具链的同步开发将缩短量子计算机的建成时间。实际上,使用利用早期的工具完成端到端的设计有助于发现隐藏的问题,可以推动设计取得全面的成功,这也是经典计算机设计中所采用的一套方法。
量子计算机的中间状态无法直接测量
调试量子硬件和软件的方法至关重要。目前经典计算机的调试方法依赖于内存和中间机器状态的读取。但这个在量子计算机中很难实现。量子状态不能够简单的复制供以后的检查,任何对量子态的测量都会被将其折叠成一组经典“位”,导致计算停止。新的调试方法对于大型量子计算机的开发是必不可少的。
实现量子计算的时间表(Time Frames)
预测未来总是有风险的,但将我们感兴趣的产品设备对外推广时,我们对产品的设计不要跨越太多的代差。然而,建造一个量子计算机可以用来运行肖尔算法破解1024位RSA的加密信息,那么这台机器需要超过当前机器五个数量级大,并且需要错误率比当前计算机低两个数量级,同时需要建立软件开发环境来支持这台机器。
对于建造大型无计算错误的量子计算机,由于很多技术短板的存在,我们无法预测其何时建成的时间表。尽管在某些领域我们取得了进展,但不能保证所有的挑战都被克服。弥补了一个短板可能会暴露下一个意想不到的问题,所以需要发明新技术或者在基础科学研究取得新成果,从而改变我们对量子世界的理解。委员会没有对具体的时间表进行预测,而是确定了影响技术创新速度的因素,并提出两个衡量标准和几个里程碑,以监测该领域的进展。
考虑到量子计算机独特的计算方式和实现它所面临的一系列挑战,它不太可能成为经典计算机的直接替代品。事实上,它们需要经典计算机来控制它们进行操作,并实现量子误差计算修正。因此,它们目前被设计成与经典处理器互补的特殊设备,类似于协同处理器和加速器。
在很多领域还有许多未知的问题和挑战,每个专业领域的发展速度是由该领域对新方法的使用程度和对问题的见解程度决定的。对于那些研究成果保密的领域,其发展速度要慢得多。幸运的是,许多量子计算机研究人员迄今为止对于技术的分享持开放态度,保持这种态度会使该领域不断推进。
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- 责任编辑:程小康
- 最后更新: 2018-12-25 11:26:02
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