量子计算,升级信息时代

文/陈根

在十九世纪初期,完美的经典物理学的大厦已经建成。然而,还有“两朵乌云”仍然笼罩在经典物理学大厦的上方,其中一朵就是黑体辐射的紫外灾难。为了解释这个现象,并结合已有的对氢原子光谱等问题的研究,量子力学横空出世。

量子力学发展起来,延伸出许多相关的分支,量子计算就是最为人们所看好的量子技术之一。拥有高出普通计算机数十甚至数百倍算力的量子计算机,是吸引了无数科技公司、大型学术团体乃至中国政府的研究热点。当前,各公司,甚至各国——都在争夺量子计算这个新兴技术领域的龙头地位。

量子计算的玫瑰与荆棘

众所周知,经典计算机以比特(bit)作为存储的信息单位,比特使用二进制,一个比特表示的不是“0”就是“1”。但是,在量子计算机里,情况会变得完全不同,量子计算机以量子比特(qubit)为信息单位,量子比特可以表示“0”,也可以表示“1”,还可以做到“既1又0”,这意味着,量子计算机可以叠加所有可能的“0”和“1”组合,让“1”和“0”的状态同时存在。

相较于经典计算,基于量子比特特性的量子计算机优势显而易见。普通计算机中的2位寄存器一次只能存储一个二进制数,而量子计算机中的2位量子比特寄存器可以同时保持所有4个状态的叠加。当量子比特的数量为n个时,量子处理器对n个量子位执行一个操作就相当于对经典位执行2n个操作,这使得量子计算机的处理速度大大提升。可以说,量子计算机最大的特点就是速度快。

以质因数分解为例,每个合数都可以写成几个质数相乘的形式,其中每个质数都是这个合数的因数,把一个合数用质因数相乘的形式表示出来,就叫做分解质因数。比如,6可以分解为2和3两个质数;但如果数字很大,质因数分解就变成了一个很复杂的数学问题。1994年,为了分解一个129位的大数,研究人员同时动用了1600台高端计算机,花了8个月的时间才分解成功;但使用量子计算机,只需1秒钟就可以破解。

此外,根据量子力学,在微观世界,能量是离散化的,就像不停地用显微镜放大斜面,最后发现所有的斜面都是由一小级一小级的阶梯组成一样,量子并不是某种粒子,它指代的是微观世界中能量离散化的现象。量子系统在经过“测量”之后就会坍缩为经典状态。

这就是那个经典的“薛定谔的猫”的思想实验,当我们打开密闭容器后,猫就不再处于叠加状态,而是死猫或者活猫的唯一状态。同样,量子计算机在经过量子算法运算后每一次测量都会得到唯一确定的结果,且每一次结果都有可能不相同。根据基础的量子门,科学家可以开发出相应的量子算法。

虽然量子计算机每一次的测量结果都类似“上帝掷骰子”一样会发生不同,但是只要量子算法设计合理,量子计算机运算结果中出现概率最大的结果就是正确结果。面对较为复杂的计算问题,经典算法需要进行各态遍历等重复操作,算法的复杂度较高,而量子算法则能较快得到结果,只需少数测量取样得到计算结果概率即可知道正确结果。但显然,这不是一个容易的过程。

一方面,量子比特需要处在相互依赖的叠加态——也被称为“量子相干”的状态,在此状态下量子比特会相互纠缠,一个量子比特的变化会影响其他所有量子比特。为了实现量子计算,就需要保持所有的量子比特相干。

然而,量子相干实体所组成的系统和其周围环境的相互作用,会导致量子性质快速消失,即“退相干”。想要建造量子计算机,研究人员就必须设法延长退相干时间,但目前的技术仅能将时间延长到零点几秒。随着量子比特数量的增加,其与外界环境接触的可能性增大,想要延长退相干时间的难度也就越大。

另一方面,正如自然中的其他过程一样,量子计算过程中也有噪声。来自量子比特内的热量、来自基本的量子力学过程的随机波动都可能会干扰量子比特的状态,从而造成计算错误。噪声在经典计算中同样存在,但不难解决,只要给每个比特保存两到三份备份,这样一个错误的比特就很容易被发现和剔除。而在量子计算机中,所有的计算能力却往往被用于纠正错误,而不是运行算法时,于是,解决噪声问题的策略反而成为了一种负担。

升级信息时代

即便量子计算的发展面对诸多现实性的艰巨挑战,但量子计算依然是物理学家和计算机科学家数十年来一直梦想的潜在革命性的技术。究其原因,量子计算机的发展从根本上而言能给人类社会带来的是一次信息化的升级,量子计算的加入或许可以帮助人们在未来以更快更安全的方式处理数字化信息。

众所周知,人类历史上发生了三次工业革命,第一次是蒸汽时代,第二次是电气时代,第三次则是信息时代。而以计算机为主的第三次工业革命,目前又在进一步进化为以互联网、大数据和人工智能为开端的第四次工业革命。在第三次和第四次工业革命中,计算机起着重要的主导作用,芯片,作为计算机的“大脑”,更是技术革命中的重中之重。

1965年,英特尔联合创始人GordonMoore预测,集成电路上可容纳的元器件数目每隔18个月至24个月会增加一倍。摩尔定律归纳了信息技术进步的速度。在摩尔定律应用的50多年里,计算机得以进入千家万户成为多数人都不可或缺的工具,信息技术由实验室进入无数个普通家庭,因特网将全世界联系起来,多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

“摩尔定律”对整个世界意义深远。然而,经典计算机在以“硅晶体管”为基本器件结构延续摩尔定律的道路上终将受到物理限制。计算机的发展中晶体管越做越小,中间的阻隔也变得越来越薄。在3nm时,只有十几个原子阻隔。在微观体系下,电子会发生量子的隧穿效应,不能很精准表示“0”和“1”,这也就是通常说的摩尔定律碰到天花板的原因。

尽管研究人员们也提出了更换材料以增强晶体管内阻隔的设想,但一个事实是,无论用什么材料,都无法阻止电子隧穿效应。这一难点问题对于量子来说却是天然的优势,毕竟半导体才是量子力学的产物,芯片也是在科学家们认识电子的量子特性后研发而成的。

此外,基于量子的叠加特性,量子计算就像是算力领域的“5G”,它带来“快”的同时带来的也绝非速度本身的变化。比如在围棋领域战胜全体人类的AlphaGo,其实从其最初研发到最终战胜全球冠军,一方面是AI算法的“软成长”,另一方面则是运行AlphaGo的NPU在算力上的“硬成长”。两者之间任何一个要素的发展都可能导致最终结果上AlphaGo变得更聪明。

基于强大的运算能力,量子计算机有能力迅速完成电子计算机无法完成的计算,量子计算在算力上带来的成长,甚至有可能造就第四次人工智能浪潮。目前,针对人工智能产生的量子算法潜在应用包括量子神经网络、自然语言处理、交通优化和图像处理等。其中,量子神经网络作为量子科学、信息科学和认知科学多个学科交叉形成的研究领域,可以利用量子计算的强大算力,提升神经计算的信息处理能力。

再比如,在数字加密领域,当下几乎所有的数字加密都像是一把数学上的“锁”,这把锁的钥匙串上有几亿甚至几百亿把可能打开它的钥匙。此时,基于一个朴素的假设——暴力破解者没有足够的算力把其中的每一个钥匙都做出来然后尝试,因此,加密就是安全的。然而,当算力爆发式成长时,很多包括金融机构在内的密码加密就将全部失去意义,取而代之的则是基于量子技术的超高运算性能的安全架构。

量子计算下的中美角逐

量子技术是远超当前任何一个国家所拥有的关于计算机领域的技术,包括芯片技术,以及当前一直在讨论的区块链技术。因此,作为全球科技前沿的重大挑战之一,量子计算也成为世界各国角逐的焦点,尤其是中美。

美国是最早将量子信息技术列为国防与安全研发计划的国家,也是进展最快的国家。早在2002年,美国防部高级研究计划局(DARPA)就制定了《量子信息科学与技术规划》。2018年6月,美国通过《国家量子倡议法案》,计划在10年内拨给能源部、国家标准与技术研究所和国家科学基金12.75亿美元,全力推动量子科学发展。

就企业而言,谷歌早在2006年就创立了量子计算项目。2019年10月,谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54个量子位处理器Sycamore,实现了量子优越性。具体来说,Sycamore能够在200秒内完成规定操作,而相同的运算量在当今世界最大的超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。这项工作是人类历史上首次在实验环境中验证了量子优越性,也被《Nature》认为在量子计算的历史上具有里程碑意义。

2020年8月,谷歌在量子计算机上模拟了迄今最大规模的化学反应,通过使用量子设备对分子电子能量进行Hartree-Fock计算,并通过变分量子本征求解来进行纠错处理完善其性能,进而实现对化学过程进行准确的计算预测。也就是说,谷歌已经进入研制量子计算机的第二阶段。

除了谷歌外,2015年,IBM也在《自然通讯》上发表了使用超导材料制成的量子芯片原型电路。2020年8月,实现了64位量子体积的量子计算机,量子体积是IBM提出的用于测量量子计算机的强大程度的一个性能指标。9月,IBM发布了一份野心勃勃的路线图——在2023年年底,IBM可以构建出1000 量子比特的量子硬件。

英特尔则一直在研究多种量子位类型,包括超导量子位、硅自旋量子位等。2018年,英特尔成功设计、制造和交付49量子比特的超导量子计算测试芯片Tangle Lake,算力等于5000颗8代i7,并且允许研究人员评估改善误差修正技术和模拟计算问题。

我国亦在持续加码相关投入,可以说,对于中国而言,要想在科技上占据话语权,要想真正的实现科技领域的超车,量子科学是非常关键的技术。根据“十四五”规划,当前,我国已将量子信息纳入国家战略科技力量和战略性新兴产业,加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿技术,加强信息科学与生命科学、材料等基础学科的交叉创新。

我国在量子计算获得的突破和成就是显著的。2020年12月,中国首次宣称实现了量子计算优越性。中国科学团队制造了的名为“九章”的量子计算机,可以在几分钟内完成一个特定的计算,而世界上最强大的超级计算机需要20多亿年才能完成。

不久前,中国又宣布成功研制113个光子的“九章二号”量子计算原型机,根据现已正式发表的最优经典算法理论,“九章二号”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快1024倍。同时,66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”实现超导体系“量子计算优越性”,计算复杂度比谷歌“悬铃木”还提高了6个数量级。

尽管从实验室到现实仍有距离,但量子科学的发展对人类文明带来的重构是毋庸置疑的,尤其是量子纠缠、多维空间以及时空穿梭的探索,当这些技术不断的被验证、被实现的时候,对当前所构建的物理学以及在当前物理学基础上所发展起来的科学认知观念都将被更新。就像太空探索一样,人们终将登上月球。


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