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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重点9:一个开放的生态系统,能够实现思想交叉融合,这将加速技术的快速进步。
同样很明显,一项技术的进步取决于对该技术的投入人力和资金的多少。虽然很多人认为一个系统中量子位的数目受到摩尔定律(Moore’s Law)形式的管制,重要的是要记住摩尔定律是一个良性循环的结果,技术的进步推动经济的收入,从而使资金持续投资在研发、人才上面,来帮助技术创新。像硅谷一样,如果想要量子研究的摩尔定律式的持续指数增长,就需要指数级的投资,而且需要维持这种投资良性循环。在量子计算机研发中,较小的机器取得商业上的成功,会使整个领域投资增加,而在没有产生商业回报的中间研发环节,就需要政府增加资金支持,因为研发时,艰难的中间环节是一个痛苦的过程。
考虑到量子误差校正的开销,近期的机器几乎肯定是NISQ计算机。虽然有许多有趣应用程序用于大型错误校正量子计算机,但目前还不存在NISQ计算机的应用程序。为NISQ计算机创建应用程序是一个较新的研究领域,需要研究新型量子算法。在本世纪前20年,开发商业NISQ计算机应用程序对于启动良性循环的投资至关重要。
重点3:研究和开发NISQ计算机的实际商业应用是该领域迫切需要解决的问题,该项工作会对量子计算机的发展及其市场规模产生深远的影响。
量子计算机可分三大类:“模拟量子计算机”,直接操作量子位之间的相互作用,而不把它们的行为分解成基本的门操作,包括量子退火器、绝热量子计算机和直接量子模拟器;“数字NISQ计算机”使用物理量子位上的基本门操作,执行一种特殊的算法;但这两种机器都存在噪声,这个缺点将限制这些计算机解决复杂的问题。“完全误差校正量子计算机”是基于门的量子计算机的一个版本,通过部署量子误差校正,使有噪声的量子位模拟稳定的逻辑量子位,以便计算机在任何计算中都能可靠的工作。
里程碑
量子计算的第一个里程碑是演示了简单的原理验证模拟和数字验证。小型NISQ计算机于2017年上市,但其中还是有数十个量子位的错误,无法修正。量子退火研究大约在十年前就开始了,使用的量子位元是一种相干时间短、伸缩快的技术。2017年试验量子退火器已经发展到拥有大约2000量子位元的机器。从这个起点开始,通过实现几个可能里程碑来确定量子计算机的进展。证明“量子霸权”就是里程碑之一,即完成一项在经典计算机上难以完成的任务,暂不讨论这项任务是否具有实用价值。虽然有几个团队一直在努力实现这一目标,但到2018年,这一目标还没有得到实现。另一个重要的里程碑就是创造一个商业上有用的量子计算机,这要求量子计算比任何经典计算机更有效地执行至少一个实际任务。在理论上实现这一里程碑比实现“量子霸权”更困难,因为它所需的应用程序必须比现有的经典方法更好、更有用。但实现“量子霸权”可能也很困难,尤其是对于模拟量子计算。在“量子霸权”被证明之前,有可能会出现一个有用的应用。在量子计算中部署量子误差校正以创建逻辑量子位,从而显著的降低错误率是另一个重要里程碑,这也是创建完全误差校正机器的第一步。
指标
可以通过跟踪定义量子处理器质量的关键属性来监测基于门的量子计算的进展情况:单个量子位和双量子位操作的错误率、内量子位连通性以及单个硬件模块中包含的量子位数量。
重点4:考虑到委员会掌握的信息,现在预测扩展量子计算机还为时过早。相反,可以通过监控物理量子位在恒定平均门错误率下的缩放率来跟踪进展,并通过监控系统所表示的逻辑量子位的有效数量来长期的跟踪进度。
跟踪逻辑量子位的大小和缩放率可以更好评估未来的发展情况。
重点5:如果研究团体采用报告中明确约定,可以方便地在设备之间进行比较,并将其转换成本报告中所提出的度量标准,那么该领域的进展情况更容易被追踪。一组能够在不同机器之间进行比较的基准测试程序有助于提高量子软件的效率和增强底层量子硬件的体系结构。
参与者致力于建造和使用量子计算机
很明显,世界各地都在努力开发量子计算机和其他量子技术。人们期望建立一个成功的质量控制体系,这个需要大量的、协调一致的研究工作,这些研究工作既涉及基础科学,也涉及很多传统学科。
重点8:美国在发展量子技术方面处于领先地位,而量子信息科学技术现在又是全球性的,一些非美国公司也大量投入资金研究。所以如果美国想要保持领导地位,需要美国政府持续进行投资。
此外私营部门在美国量子计算科技研发系统中扮演着重要角色。
重点2:如果短期在量子计算机商业上不成功,政府的资助可以防止量子计算研究走向滑坡。
量子计算机和密码学(Cryptography)
量子计算将对密码学产生重大影响,密码学依靠难以计算的问题来保护数据。但是肖尔算法在大型量子计算机上的运行会大大减少从非对称密码中提取私钥所需的计算时间,而这种非对称密码是用来保护互联网数据传输和数据储存的重要手段。所以在量子计算机尚未建成之前就部署后量子密码技术(Post-quantum Cryptography)进行加密,具有很大的商业利益。在未来,公司和政府不想让他们现在的私人通信内容被窃取,即使三十年以后。出于这个原因,有必要尽快向后量子密码技术过渡,特别是现在使用的Web技术都是十年前的技术。
重点1:考虑到量子计算机目前的发展速度,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)。
重点10:即使量子计算机破解现在的密码技术要等到十年以后,但这种机器的存在使目前的密码系统具有严重安全隐患。而且要过渡到一个新的安全协议需要足够长的时间,并存在不确定性。提高开发力度、标准化措施和后量子密码技术的部署对于增加安全和保护私人信息非常重要。
考虑到量子计算机对当前的协议构成巨大威胁,人们正在积极努力开发后量子密码技术——量子计算机无法破解的非对称密码。这些技术可能在2020年标准化。虽然肖尔算法破解密码的能力是早期量子计算机研究的驱动力,但是加密算法一直在改进,这个会降低量子计算机破解密码的能力。从长远的角度看这个是会推动量子计算机的进步。
追求量子计算的风险和收益
在实用的量子计算机实现之前,量子计算仍然存在重大的技术障碍,而且也不能保证这些障碍是否能够被克服。构建和使用量子计算机不仅需要设备工程,而且还需要将计算机科学、数学、物理、化学和材料学等一系列学科进行融合。克服这些障碍所做出的努力也会给我们带来了好处,例如:量子计算机的研发过程改进了经典算法,推动了物理学和计算机科学的进步。
重点6: 量子计算对于推动基础性研究具有重要价值,这些研究将有助于人类对于未知世界的理解认识。与所有的基础性研究一样,这一领域的进展会带来革命性的新知识和新应用。
创建一个大型的、错误校正的量子计算机所面临的挑战是重大的。成功的量子计算机需要对量子相干性进行前所未有的控制,通过改变现有的工具和技术,或者通过开发新的工具和技术,可能实现这种控制。同样依赖量子相干控制的相关技术,在量子传感和量子通信方面也可能取得的进展。
重点7:尽管大型量子计算机的可行性尚不确定,但发展实用的量子计算具有很大的好处,它们可能扩展到量子信息技术的其他短期应用,例如基于量子位的传感技术。
除了量子计算潜在的社会益处之外,这项工作对国家的安全也有影响。拥有大型、实用的量子计算机可以打破当今的非对称密码系统。认识到这个风险,人们开始努力研究对量子密码破解拥有强大抵抗能力的密码系统,目前有几个候选系统被认为是“量子安全”的。然而尽管在政府和民用系统部署后量子密码技术系统可以保护数据传输通信,但是它不会消除传统加密数据被敌人破获的风险,尽管风险系数可以减小。尽管政府和民用系统部署后量子密码系统可以保证随后的数据传输的安全性,但是在此之前被敌人截获的传统加密数据有被破解的风险,当然随着量子计算机部署的推迟密文被破解的危害性会逐步减小。此外新的后量子密码技术PQC的发展也会推动新的量子密码破解技术(New Quantum Cryptanalytic Technique)的进步,与网络安全技术一样,后量子时代的安全性有赖于持续的科研投入。
但是国家安全问题超越了密码学研究,更大的战略问题在于未来的经济和技术领导地位。从历史上看,经典计算已经对社会生产了革命性的影响。虽然量子计算的工业应用潜力还在探索之中,但很明显,量子计算已经超越当前计算的边界,它可以在很多领域提高计算效率,所以支持美国政府建设强大的量子计算研究组织具有战略价值。
结论
根据对迄今为止量子计算领域取得进展的公开资料进行评估,委员会认为,理论上可以建造一台大型容错的量子计算机。但是建造这样一个系统并将其应用于解决实际任务并带来收益具有很大的技术挑战性。此外,未来对该领域的投资多少取决于近期的商用效果和美国及其他国家对技术的开放性,这些都会影响到实用的量子计算机完全投放市场的时间表。该领域的进展可以通过重点3中的指标进行追踪。但无论何时或能否建成大型的、无计算差错的量子计算机,我们对量子计算和量子技术的探索会扩展人类知识的边界,这方面的努力可能也会改变我们对于宇宙的理解。
(翻译:程小康)
原文链接如下:
链接1:
https://spectrum.ieee.org/computing/hardware/the-case-against-quantum-computing
北大物理学院副教授雷奕安的译文链接如下:
http://blog.sciencenet.cn/blog-268546-1153118.html
链接2:
https://www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects
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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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