“量子霸權”新聞的正確打開方式_風聞
风云之声-风云之声官方账号-2019-10-15 07:57
袁嵐峯,中國科學技術大學化學博士,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員,科技與戰略風雲學會會長,青年科學家社會責任聯盟理事,中國無神論學會理事,安徽省科學技術協會常務委員
2019年9月底,有一條轟動的新聞:谷歌實現了“量子霸權”(quantum supremacy)!
許多人對這新聞的感覺,可能是“霸權”這個詞很刺激。是美國對其他國家的霸權?還是谷歌對其他企業的霸權?有些人熱血上湧,連陰謀論都出來了。
其實,這條新聞的正確打開方式完全不是這樣。首先,量子霸權是一個科學術語,跟政治或商業無關。然後,這個成果還沒有得到確認,因為論文還沒有正式發表。用描述非典的語言説,現在的狀態是“疑似”。
要理解這個新聞,我們需要解讀這樣幾點。
第一個問題是,量子霸權是什麼意思?
回答是:量子計算機在解決特定問題上遠遠超過現有的計算機。
由此可見,量子霸權説的是量子計算機對傳統計算機的霸權,而不是國家之間或者企業之間的霸權。如果你不喜歡霸權這個詞,那麼把它稱為壓倒性優勢或者決定性優勢也無妨。
第二個問題是,量子計算機為什麼可以遠遠超過傳統計算機?
回答是:因為它們的基本原理不一樣。
大家知道,“比特”(bit)是信息科學的基本單元。它指的是一個體繫有且僅有兩個可能的狀態,常常用“0”和“1”來表示,例如硬幣的正和反兩個面或者開關的開和關兩個狀態。所以作為一個形象的比喻,比特就是一個開關。
但量子計算機的基本單元卻不是比特,而是“量子比特”(qubit)。它不是一個開關,而是一個旋鈕。旋鈕跟開關的區別在哪裏呢?旋鈕是連續可調的,你可以把它轉到任何一個角度。
旋鈕
這個比喻嚴格表述,就是量子力學中的“疊加原理”:如果兩個狀態是一個體系允許出現的狀態,那麼它們的任意“線性疊加”也是這個體系允許出現的狀態。
什麼叫做線性疊加?看下面這個圖就容易明白。
疊加原理
首先,我們要把一個量子力學中的狀態理解為一個矢量。也就是説,它是有方向的。
然後,為了方便書寫,我們引進一個符號:左邊一個豎槓,右邊一個尖括號(|>)。這個符號叫做“狄拉克符號”(Dirac notation)。當我們要表示一個狀態的時候,把一些字母或者數字填到狄拉克符號裏就可以了。
量子力學的創始人之一、英國物理學家保羅·狄拉克(PaulAdrien Maurice Dirac,1902-1984)
回頭看疊加原理裏的第一句話:“如果兩個狀態是一個體系允許出現的狀態。”現在我們可以把這兩個基礎的狀態寫成|0>和|1>,它們在圖中分別對應兩個方向的單位矢量,這兩個方向成90度角。
最後,線性疊加就是兩個單位矢量按照某種比例的組合,組合的結果可以指向任何一個角度。例如圖中的|+>這個態指向45度角,而|->這個態指向135度角,其他某些狀態對應25度、100度等等。
瞭解這些基本原理之後,你就可以明白,一個比特只有兩個狀態,一個量子比特卻有無窮多個狀態。因此,量子計算機有可能做到傳統計算機做不到的事。
第三個問題是,量子計算機的研究現在是什麼狀況?
基本狀況是:進步迅速,但離實用還遠。
這裏有個嚴重的誤解,一定要澄清一下。很多科普作品把量子計算機描寫得無所不能,但實際上,量子計算機並不是幹什麼都特別快,而是隻對於某些特定的問題才特別快。
可以這樣理解:量子比特包含無窮多個狀態,這是一個潛在的優勢。這個優勢是否能發揮出來,是依賴於問題的。對於有些問題,人們設計出了高明的量子算法,它們的表現遠遠超過傳統的算法。而對於其他問題,量子算法並不比傳統的算法強。
量子計算機擅長的問題雖然還不是很多,但在其中就有一些非常重要的。
例如最著名的一個叫做“因數分解”,就是把一個合數分解成兩個質數的乘積,21 = 3 × 7這種。你不管三七二十一就可以立刻分解21,但當一個數字很長的時候,用傳統計算機分解它就非常困難。用數學語言表述,分解一個n位數所需的時間是隨着n指數增長的。例如,如果計算機一秒做一萬億次運算,那麼分解一個300位的數字需要15萬年,而分解一個5000位的數字需要50億年。
現在最常用的密碼體系之一叫做RSA,它就是基於因數分解的困難性來保密的。我公開一個很大的數,如果你能把它分解成兩個質數,你就能破解我的密碼,但我有信心你在合理的時間內解不開。
RSA密碼體系的三位發明者李維斯特(Ronald Linn Rivest)、沙米爾(Adi Shamir)和阿德曼(Leonard Adleman),RSA是他們的姓氏首字母縮寫
但是,對量子計算機來説,因數分解不是難題。1994年,肖爾(Peter Shor)發明了一種量子算法,把因數分解的計算量從指數級別減少到了多項式級別。
指數函數與多項式函數
因此,量子算法可以把分解300位數字的時間從15萬年減到不足1秒鐘,把分解5000位數字的時間從50億年減到2分鐘!在這個意義上,RSA密碼已經被破解了。
不過,這個破解只是理論上的,因為在實驗上我們還沒有造出能分解上千位數字的量子計算機。小規模的演示是有的,例如我的科大同事杜江峯和彭新華等人在2017年實現了291311 = 523 × 557。這比以前演示的15 = 3 × 5進步了不少,但離實用還遠。
量子計算機這麼難造,是因為在物理上有很多難題,包括量子比特的製備、操作、讀取和糾錯等等。
從積極的一面來説,如果你想從事科研,那麼量子計算是大有可為的。這是當今最熱的研究領域之一,各國的政府和企業都在大量地投資。谷歌對量子計算的投資一向是領頭羊,所以這次它取得重要成果很正常。
於是我們到了第四個問題:谷歌這個成果到底是什麼?
讓我們從2017年5月的一條新聞説起。當時許多媒體熱報,科大的潘建偉和陸朝陽等人造出了一台光量子計算原型機。“光”的意思是它用光來實現量子比特。但這台量子計算機到底做到了什麼?大多數人都“不明覺厲”。實際上,它的成就是:第一次對於某個問題超越了早期的電子計算機。
什麼問題呢?這個問題叫做“玻色子取樣”(boson sampling)。這是一個很偏門的問題,選擇它就是因為量子計算機處理它有優勢。這台量子計算機在處理“玻色子取樣”的時候,比四五十年代的第一台電子管計算機ENIAC和第一台晶體管計算機TRADIC快了10到100倍。
2017年5月媒體對潘建偉與陸朝陽等人量子計算機成果的報道
你也許會問:現在隨便一台個人電腦都比這些古老的電子計算機快得多,這豈不是説這台量子計算機還遠不如現在的個人電腦嗎?確實不如,但這並不能否定這個成果的重要性。
研究人員跟我解釋過,希望分三步走實現量子計算機對傳統計算機的超越:先超越早期的電子計算機,再超越個人電腦,最後超越最強的超級計算機。這樣看來,這個成果就是實現了第一步。
好,現在谷歌的成果就是實現了第三步,超越目前最強的超級計算機。這當然也只是針對一個特定的問題的。這個問題也很偏門,是檢驗一個隨機量子線路的輸出分佈是不是符合預期。簡而言之,就是檢驗一個量子隨機數發生器是不是真隨機。
谷歌論文圖1對量子計算機結構的演示
一個機智的問題是:如果傳統計算機無法重複它的計算,那怎麼知道它算的對不對呢?
回答是:先對比較小的量子線路,用量子計算機和傳統計算機對照,確認它們的答案一致。然後逐漸增大體系。到某個程度,傳統計算機就算不動了,但由於前面的一致,我們相信這時量子計算機的答案仍然是正確的。
瞭解這些背景之後,你就可以明白這條新聞報道的那些參數了:這台量子計算機用到53個量子比特,花了200秒對一個量子線路路取樣一百萬次,而現有的超級計算機完成同樣的任務需要一萬年。
谷歌論文圖4對量子霸權的演示,注意最右邊黑色箭頭上方的一萬年與中縫中的200秒的對比
再次提醒大家,這個成果現在的狀態是“疑似”。實際上,這篇論文是被谷歌的合作方NASA泄露出來的,谷歌並不想現在就報道,於是撤稿了。想搞大新聞的是NASA,而不是谷歌。如果論文最終通過評審發出來,那麼這當然是一座了不起的里程碑。
一直有人從各種角度論證,實用的量子計算機不可能出現。這次的成果雖然還不實用,但顯然前進了一大步。至於你是否把它稱為量子霸權?那只是個名稱問題。下一步的努力方向,就是對某些有實用價值的問題,造出遠超傳統計算機的量子計算機。
你可能想問:中國在量子計算領域做得怎麼樣?
回答是:整體上我們是後來者,投入也遠低於歐美。在這個前提下,中國正在迅速進步。例如谷歌和NASA的這篇論文就引用了科大的三篇論文,其中一篇是科大和阿里巴巴合作的。實現量子比特的物理體系有多種選擇,中國在光學方面一直是世界領先,在超導也就是谷歌這次用的方面緊隨其後。
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充錢才能變強
最後,許多人一提到量子計算機,就説“它能破解所有密碼”。這種觀點怎麼樣呢?
答案非常微妙。
首先,根本不需要量子計算機,只用傳統計算機就有可能破解所有基於數學的密碼!因為不定哪天,就會有人發明高效的傳統算法。
其次,上面説的是潛力,而就現狀而言,量子計算機能破解的只是RSA等一部分密碼,不是所有密碼。
最後,有一類密碼是任何計算機都不能破解的,就是量子密碼(quantum cryptography),也稱為量子保密通信或者量子密鑰分發(quantumkey distribution)。因為量子密碼保密的基礎是量子力學的物理規律,而不是某個數學問題。基於數學的密碼才會被計算機破解,基於物理的量子密碼是不會被計算機破解的!
總而言之,如果説量子計算機是最強的矛,那麼量子密碼就是最強的盾。以子之矛攻子之盾,誰勝?回答是:盾勝!
量子密碼現在哪個國家最先進呢?回答是中國,我前面提到的潘建偉等人就做出了決定性的貢獻。現在,你明白這方面工作的價值了吧?