量子計算的真實(shí)與謊言

引子

《達芬奇密碼》和《天使與魔鬼》里的主角蘭登教授(湯姆漢克斯飾)，是丹布朗一套系列書(shū)的核心人物。這套書(shū)最新的一本叫《本源》(Origin)。

在《本源》一開(kāi)始，千億富翁埃德蒙宣布自己的科學(xué)發(fā)現，將使三大宗教土崩瓦解。而書(shū)中和蘭登教授搭檔的主角，是名叫E-Wave的量子計算機。

在這本書(shū)中，嵌入了特斯拉汽車(chē)的廣告。而E-Wave大概率是加拿大公司D-Wave的廣告。

2011年，D-Wave成為世界上最早商用量子計算機的公司。直到今天，D-Wave在實(shí)用量子計算領(lǐng)域仍一馬當先。

一、科研投入

量子大概是科研界吹牛的重災區。但更神奇的是，有時(shí)很難說(shuō)清楚他們是在吹牛還是說(shuō)謊。

各種媒體都很喜歡報道，誰(shuí)霸權了誰(shuí)又超越了霸權，某某量子xxx能一下子算出來(lái)傳統計算機幾億年都算不出來(lái)的題，互聯(lián)網(wǎng)危在旦夕。

但我覺(jué)得，很多記者并不知道自己在說(shuō)什么。

也許，誰(shuí)能拿到經(jīng)費才是關(guān)鍵。

關(guān)于研發(fā)經(jīng)費來(lái)自政府還是私營(yíng)公司，倒是個(gè)有趣的事。

據Quantum Insider/光子盒統計，中國關(guān)于量子的財政撥款(100億)幾乎等同世界其它國家的總和。而中國的量子科技公司數量只有15家(不含BATH)，不到歐美的5%。

排除政府投入，下圖是《自然》雜志上關(guān)于私營(yíng)公司投資量子技術(shù)的分布圖，雖然數據稍微有點(diǎn)舊，但可以看出中外差別還挺大的。

二、量子科技的分類(lèi)

量子科技的應用主要有量子計算和非量子計算兩大類(lèi)。我這樣分類(lèi)，估計你們也挑不出毛病。

歐美公司研發(fā)普遍集中在量子計算，而中國和東亞更喜歡量子通信。

量子通信太神奇了，我也不懂，不是本文重點(diǎn)。反正他們說(shuō)巨有用，估計效果至少比肩蓮花清瘟吧。

《自然》雜志：中國的量子專(zhuān)利集中在量子通信(黃色)和其它(藍色)，量子計算(深橙色)并不算多

關(guān)于量子計算的研究呢，雖然超級復雜，但仍可簡(jiǎn)單分為硬件和軟件。

其中硬件需要很多實(shí)驗物理學(xué)家和尖端工程師，還要很多很多貴重的高級儀器，門(mén)檻非常高。

量子計算的軟件，也灰?；页２灰粯?，它需要很好的數學(xué)家和平庸的程序員。因為量子計算中的想法和算法是關(guān)鍵，經(jīng)典計算機那套大多用不上。

接下來(lái)，我們開(kāi)始展開(kāi)少量技術(shù)內容。

三、量子算法

用來(lái)破解互聯(lián)網(wǎng)公鑰加密(RSA或ECC)的算法(分解質(zhì)因數)，叫作Shor算法。它早已被Mr. Shor發(fā)表出來(lái)，但過(guò)了近30年仍沒(méi)有能有效跑它的機器。

目前量子軟件方面的研究大大超前于硬件，研究人員大多只能在模擬器上玩。

因為量子算法對目前非對稱(chēng)加密潛在的破解風(fēng)險，業(yè)界這些年一直在研究量子計算機難以破解的加密算法(Post-Quantum Crypto)。

美國NIST(標準局)經(jīng)過(guò)兩輪篩選，選中了NTRU等7個(gè)主要算法和8個(gè)候補算法。據說(shuō)在今年，會(huì )最終公布哪種算法勝出。八卦一下，第二輪淘汰了“三只熊”和“特斯拉”等多種算法，“括約肌”進(jìn)入了第三輪。

據NIST說(shuō)，對稱(chēng)算法如AES等暫不用考慮被量子破解，科普中吹噓的Grover算法其實(shí)威脅并不大。

四、超導量子

那么，什么樣的機器可以運行Shor算法呢？

量子計算的實(shí)現路徑很多，目前在通用計算上走得最遠的是超導和離子阱。

IBM和谷歌領(lǐng)頭的超導量子計算，應該是最燒錢(qián)的方式。因為超導需要用一個(gè)大冰箱：世界上最貴的冰箱，用稀釋制冷等復雜技術(shù)把溫度搞到接近絕對零度(-273攝氏度)。

量子糾纏太容易被外界干擾了，即使在萬(wàn)物蕭殺的絕對零度附近，超導量子比特的存活時(shí)間，只有微秒量級(百萬(wàn)分之幾秒)。任何噪聲情況下的計算都可能產(chǎn)生錯誤，科學(xué)家經(jīng)常要用5個(gè)量子比特(qubit)來(lái)校正1個(gè)，這樣寶貴的qubit需要更多。

IBM去年發(fā)布了業(yè)界最多的127個(gè)超導 qubits的“鷹”量子處理器，按其“吹?！毙侣劯迤浯淼牧孔討B(tài)可以超過(guò)75億人身上所有的原子數。但實(shí)際上其中大多數qubits是用來(lái)作校正的，并不能完全用來(lái)模擬。

按的IBM Roadmap，每年qubits數翻一番，再過(guò)10來(lái)年可以達到可以運算Shor的百萬(wàn)qubits，這就是傳說(shuō)中的量子摩爾定律。

超導環(huán)像藝術(shù)品一樣（Credit: IBM）

“100個(gè)qubits的冰箱有一個(gè)房間那么大，那100萬(wàn)qubits需要多大的冰箱呢？”---一個(gè)傻瓜問(wèn)道。

磚家笑笑說(shuō)，你知道半導體最初多大嗎？

五、離子陷阱和天使粒子

通用量子計算在技術(shù)實(shí)現上有兩大瓶頸，一個(gè)是剛才提到過(guò)的穩定性(噪聲和糾錯)，另外一個(gè)是可擴展性(100qubits到100萬(wàn))。

為了挑戰這兩大障礙，離子肼是另外一個(gè)路徑的嘗試。Honeywell和IonQ是離子肼的領(lǐng)頭羊。

離子肼的技術(shù)并不算新，很多原子鐘用的就是這個(gè)技術(shù)，其量子的穩定性比超導要好得多。離子肼的另一個(gè)小優(yōu)勢是工作溫度可以超導稍微高一點(diǎn)點(diǎn)，這能省很多錢(qián)。

離子肼很好玩，用激光把鐿原子(Yb)的電子打掉變成離子(別問(wèn)的我怎么做的:-)，帶正電的離子可以用四面八方的正電勢將其困在一個(gè)3D的空間內，這就是所謂“陷阱”。

（離子肼機的畫(huà)風(fēng)十分硬朗Credit: Honeywell）

困在同一個(gè)區域陷阱里的離子易于關(guān)聯(lián)，保真度非常高，但缺點(diǎn)是計算速度比超導慢得多，并需要一個(gè)超級真空的環(huán)境。其量子狀態(tài)的測量也依賴(lài)于極高精度的諧振激光。

總體來(lái)看，離子肼也絕非省錢(qián)的方案，工程難度非常大，不是大公司玩不起。

在通用量子計算方案中，英特爾的硅基量子和微軟“拓撲粒子”進(jìn)度更慢，似乎仍是下一代的技術(shù)。

拓撲粒子學(xué)名叫馬約拉納費米子，用它做量子比特能活100秒，抗干擾性極強，保真度比超導量子對多了4個(gè)9，簡(jiǎn)直像天使一樣完美。

那么，我們在引言中說(shuō)的D-Wave是干啥的？他們?yōu)槭裁茨鼙绕渌以缳u(mài)10多年？

因為D-Wave做的不是通用量子計算機：它不能執行Shor算法，所以不能用來(lái)破解加密。

但是，D-Wave的想法絕對來(lái)自于鬼才，在短短篇幅內講明白它的原理挑戰極大。

D-Wave完全拋棄了用量子比特組建運算門(mén)的思路，也不用詭異的量子糾纏，它認為大自然和宇宙法則比誰(shuí)都聰明。

物理學(xué)的法則就是自動(dòng)尋找最小能量狀態(tài)：水會(huì )從雪山一直流到大海，熱的東西一定會(huì )涼下來(lái)。

D-Wave把問(wèn)題分解成常數和變量，賦值給量子比特，然后量子們會(huì )自動(dòng)找到最優(yōu)解自然疊加展現出來(lái)，因為最優(yōu)解就是盡快達到能量最小的狀態(tài)。

畢竟宇宙本身就是完全按量子法則運行的。

在《本源》里E-Wave告訴我們：宇宙喜歡讓人類(lèi)通過(guò)仇恨和戰爭自相殘殺，以更快地消耗能量。

六、旁門(mén)左道

D-Wave的想法太過(guò)詭異，所以量子江湖中的武當少林開(kāi)始都認為它的旁門(mén)左道：D-Wave里面含各種門(mén)的量子電路都沒(méi)有，根本不是量子計算。

但是在極多變量的場(chǎng)景下選擇最優(yōu)的實(shí)戰中，D-Wave展示了對經(jīng)典計算機的碾壓，并成功形成了圍繞自己機器的軟件和算法生態(tài)系統。

正好在此提一下，網(wǎng)上關(guān)于量子的科普是個(gè)誤導重災區，量子計算本身并不是他們說(shuō)的大規模并行計算。實(shí)際上，量子比特并不能同時(shí)出現多種狀態(tài)或者存儲多個(gè)狀態(tài)，它的狀態(tài)更應該理解成是一個(gè)概率，而多個(gè)量子比特不同狀態(tài)組合的概率是可以疊加的。

看看薛定諤方程，這些疊加是波的疊加，最后的概率是一個(gè)結果，不是n個(gè)結果。比如，你們小區明天會(huì )不會(huì )被封，這是一個(gè)極多變量(波)疊加的概率：前幾天一個(gè)旁邊小區的嗓子不太舒服的感染者想吃關(guān)東煮里的蘿卜敗敗火，剛好在便利店里碰到了996下班的餓壞了的你的鄰居，你的小區又剛好碰到了核酸普查。

不同變量的波振幅不同。我們還用上面的例子，市領(lǐng)導這個(gè)變量的振幅最大，能一下子抵消掉無(wú)數小的波。他們決定封城，那你們小區明天被封的概率就一下子趨近于100%。

量子比特可以代表的無(wú)數種狀態(tài)，絕非科普里說(shuō)的多了幾種0和1的組合，因為每個(gè)波函數振幅不同，概率可以是21.526253%，也可以是0.000312%(舉例)。這樣，量子比特可以更好地模擬我們的世界，而那個(gè)解(結果)可以通過(guò)更適合量子的算法(波的干涉)，更快地收斂出來(lái)。

現在你們理解Wave(波)的意思了吧？D-Wave的機器被叫做“量子退火機”。

D-Wave在一定程度上的成功，也啟發(fā)了一些相似理念的機器，其中最有名的代表是“相干伊辛機”(CIM)。CIM有點(diǎn)像用光做的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)光脈沖耦合光子，用FPGA計算其相干退化的結果。

光子是一種完美的量子，具有常溫下的穩定性，而且已經(jīng)有了很多成熟的光學(xué)器件可以實(shí)現偏振調制、疊加和測量等。

近兩年，光子作為量子計算的候選方案被突然加速。很多公司拿到了風(fēng)投，其中的代表是加州的PsiQuantum和多倫多的Xanadu，我國也一下子多出好幾家光量子公司。

光量子計算似乎很適合成為小型初創(chuàng )公司的賽道，因為沒(méi)有超低溫和超短存活時(shí)間等那些需要巨額投入的環(huán)節，而且光半導體器件的制作也相對成熟。

不過(guò)因為用光的低門(mén)檻，各種機構經(jīng)?？浯笞约旱倪M(jìn)展：有些只是做簡(jiǎn)單“采樣”和“測量”，有些故意不說(shuō)明自己是做CIM還是做通用量子計算，這讓局外人非常困惑。

甚至有些直接把光學(xué)實(shí)驗叫量子實(shí)驗，這種宣傳和量子減肥有異曲同工之妙，從法律上和物理學(xué)上都挑不出毛病來(lái)。

PsiQuantum和Xanadu都宣稱(chēng)，五年內實(shí)現100萬(wàn)qubits的機器。如果它們都是通用量子計算的話(huà)，IBM和Honeywell要哭死了。

幾家大廠(chǎng)推出量子體積的概念來(lái)衡量量子計算機的算力，但這只是一個(gè)并不成熟的簡(jiǎn)單加權打分，其實(shí)并不能公正評價(jià)各家不同架構機器。

幾乎所有公司或機構都在夸大自己的成果，但又很難找到細節。絕大多數機器并不讓你玩，藏在各種云后面的量子計算機很多只是模擬器。

也許在很遠的未來(lái)，會(huì )有Awesome Wang那樣的第三方評測，測試每家量子計算機跑每種算法的速度。

但眼下沒(méi)有誰(shuí)能買(mǎi)得起做開(kāi)箱小視頻，所以估計多是廠(chǎng)家贊助的小軟文。

倒是所有廠(chǎng)商都承認，量子計算絕對不會(huì )取代硅基經(jīng)典計算機，它只會(huì )被用于特定用途：那些量子算法有絕對優(yōu)勢(supremacy)的領(lǐng)域。

量子圈子互相揭短的事好像并不多，畢竟在現階段量子計算仍是一個(gè)極少數人參與的科研領(lǐng)域。德高望重的人互相也會(huì )留面子，一起炒熱度把餅做大更符合團體利益。

大家都在說(shuō)：

硅基摩爾定律走到頭，剛好量子計算能接上。

免責聲明：本文發(fā)表于愚人節。