日前,顶层会议集体学习量子科技研究和应用前景,提出要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局。量子计算和量子通信都是非常有潜力的技术,但也都存在技术不成熟的问题。数年前,无良商家和一些不负责任的媒体就过度炒作量子技术,甚至还搞出量子内衣、量子鞋垫、量子袜、量子保温杯等一些忽悠老百姓的东西。有鉴于前车之鉴,铁流简单介绍一下当下量子计算和量子通信存在的问题,量子计算连一个逻辑比特都做不到,属于“永远的 50 年”,量子通信则是量子密钥分配,而且并非无懈可击。目前,量子计算和量子通信还需要较长时间搞研究,还远远未到可以大规模产业化的阶段。

 

 

量子计算为何被很多人看好

 

近年来,传统计算机发展中已经逐渐遭遇功耗墙、通信墙等一系列问题,加上摩尔定律开始失效,芯片性能的增长开始放缓,传统计算机的性能增长潜力和增长速度都已大不如前。在这种情形下,探索全新物理原理的高性能计算技术的需求就应运而生。

 

量子计算的基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元,通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。一般选用处于纠缠状态的量子,比如光子的两个偏振态、电子的两个自旋态、离子的两个能级来构建量子位。

 

想必很多人都听说过薛定谔的猫,而量子位就类似于那只猫的状态。一个量子位可以同时处于 0 状态和 1 状态,当量子系统的状态变化时,叠加的各个状态都可以发生变化。

 

相对于只能表示 0 和 1 的晶体管,量子位能同时表示 0 和 1 两个状态,这就使量子计算机在并行计算上具有巨大优势——毕竟 N 个量子位可同时存储 2 的 N 次方个数据,数据量随 N 呈指数增长。同时,量子计算机操作一次等效于电子计算机要进行 2 的 N 次方次操作的效果,等于是一次演化相当于完成了 2 的 N 次方个数据的并行处理,这是现在的电子计算机所不具备的。理论上说,量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势。

 

“量子制霸”标准量子计算机属于“永远的 50 年”

 

近年来,关于量子计算机的各种新闻不绝于耳,国内中科大潘建伟院士团队、郭光灿院士团队,国外谷歌IBM 公司、Intel 公司先后开发出了量子计算原型机。

 

此前,谷歌、英特尔IBM 分别推出过 49、50、72 个物理比特的原型机。此前,谷歌此前发布的“通用量子计算机”Bristlecone,在量子比特数目上达到全球第一。不过,这里所谓的“通用量子计算机”的称呼,其实说具有较大水分的,只是专用机,做不到通用。

 

 

 

IBM 的 IBMQ 原型机则被誉为“世界首个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统,是目前全球唯一的独立商用量子计算机”。一些媒体在报道中,将 IBMQ 与 ENIAC 相比,认为将开启量子计算新时代。

 

然而,标准量子计算机的实现可能性和可控核聚变类似,都是“永远的 50 年”,量子计算机将很快取代经典电子计算机只是不靠谱的幻想。

 

什么是“永远的 50 年”呢?

 

如果一项计算实现难度很大,以目前的技术储备几乎看不到实现的可能,但万一实现了足以引发一场技术革命,那么,在谈实现这项技术还有多久的时候,往往会用 50 年来表述——过了 10 年,同一个记者再去问同一个专家,得到的回复还是 50 年。

 

也就形成了所谓的“永远的 50 年”。

 

如果回答是 20、30 年,但时间到了却没做到,由于具体负责人都还在岗或在世,因而会带来一系列负面因素,但如果是 50 年,保不齐当年鼓吹这项技术的项目带头人都不在了,而且漫长的时间,也有利于冲淡人们的记忆。

 

量子计算机就是这样的一项技术,如果能够实现的话,前景广阔,但以现在的技术储备而言,根本制造出标准量子计算机。同属“永远的 50 年”的还有可控核聚变技术,如果能够成功人类能摆脱化石能源枷锁,也许还能开启共产主义社会模式。问题就在于,这项技术属于“永远的 50 年”。

 

 

 

实现标准量子计算机难度极大

 

之所以实现标准量子计算机难度极大,主要是因为在编码、系统扩展、逻辑门精度、相干消等诸多方面,都有着极大的差距。

 

编码是制造通用量子计算机的最大拦路虎。如果要制造出超过经典计算机的标准量子计算机,就必须至少获得 50 个逻辑比特。然而,目前人类所知的量子纠错机制,必须用上 80-10000 个物理比特,才能产生 1 个逻辑比特。目前全球没有任何一家商业公司或科研机构,能够做出一个逻辑比特。

 

要说明的是 50 个逻辑比特并不是终点,而仅仅是一个新起点——虽然一些量子计算机的鼓吹者声称 50 个量子比特就能颠覆经典计算机,但实际上,这种说法并不客观。

 

瑞士苏黎世皇家理工学院的物理化学家马科斯 . 雷勒表示:“如果我们拥有超过 200 个逻辑比特位,我们就能在量子化学上做到传统计算机无法做到的事情,如果拥有 5000 个逻辑比特位,量子计算机将为这一领域带来颠覆性的改变。”

 

更多的逻辑比特就需要扩展系统,但系统扩展的难度会以几何倍数增长,何况现在连一个逻辑比特都无法实现。

 

逻辑门精度也是一个大问题,要制造出标准量子计算机,单比特门精度和双比特门精度都必须达到非常高的要求。一些现在所谓的“量子计算机”的单比特门精度和双比特门精度其实都达不到标准量子计算机的要求。

 

量子计算有赖于量子纠缠,随着环境、时间的变化,量子之间会失去这种纠缠效应。而维持量子纠缠的稳定时间才是真正有用的,而 IBM 此前只能维持 90 毫秒,这么短的时间,基本不具备实用价值。

 

现在这些所谓的“量子计算机”,虽然在宣传上往往冠以“通用”之名,但其实都只能完成特定任务。

 

比如国内的某台量子计算原型机就只能做波色采样,不具备通用性。国外谷歌、IBM、英特尔的机器也是类似,都是专用机,在一些特定应用,能够取得相对于经典计算机的优势,但不具备通用性。

 

对于量子计算机,无论是商业公司也好,还是政府也好,投入一定资金进行探索是非常好的。在技术进步的道路上,不断取得成绩也值得称赞。

 

但一些商业公司过分炒作量子计算概念,对一些有限且局部的进步大肆渲染浮夸营销误导大众,仿佛量子计算机就要到革命的前夜,仿佛经典计算机就要成为电子垃圾,未免就有些过了。

 

至于一些媒体过度炒作量子霸权,或者将量子计算机与贸易摩擦强行挂钩,着实令人无语。

 

 

标准量子计算任重道远

 

谷歌、IBM、英特尔与潘院士、郭院士团队的努力都值得称赞。

 

然而,问题就在于量子计算机概念被过度炒作,量子已经成为与纳米、Alot、5G 等词汇一样被媒体和资本热炒,被捧得太高,已经超出其实际技术水平,并衍生出了很多原本不具备的概念。这种做法并不利于行业的健康发展和技术进步。

 

由于研发标准量子计算机的难度非常非常大,有业内人士认为:

 

所谓标准的量子计算机,也是一批人的定义,不见得一定是最后的实现方式,我们要以比较开放的态度来看这个系统是不是能够实现超越非量子的计算能力。

 

无独有偶,IBM 的工程师也提出了“近似量子计算”的概念,也就是在无法解决编码问题的情况下,开发出能够适应、容忍噪音的算法,并得到正确的答案。

 

这就像是在大选中,统计人员无视一些出错的的电子选票后,仍然得到正确的选举结果。

 

总而言之,量子计算机必然会先以量子专用机的形式出现,并在特定领域取得自己的立足之地。这些专用机只会是经典计算机的补充,而非对经典计算机的革命。

 

若要制造出具有通用性,且性能超越经典计算机的标准量子计算机,则是一项非常艰巨的任务。