“量子霸權”新聞的正確打開方式_風聞

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？