谷歌實現“量子霸權”，中國落後了多少？_風聞

導讀

      最近谷歌“量子霸權”概念炒得很熱，但很多人對這個概念很暈乎，尤其是加上“量子”兩個字後尤其……

      今天袁老師就來為大家簡明扼要地科普清楚“量子霸權”和與其相關的量子計算機知識。

     首先，“量子霸權”的説法本身就有一點唬人的意思，其實它的意思就是説量子計算機比起傳統計算器擁有壓倒性優勢。而所謂谷歌獲得“量子霸權”，就是在之前一篇泄露出來的論文中，展示了谷歌已經成功使用量子計算機比現有的傳統超級計算機更快解決一個問題。而之前的量子計算機大都還停留在試圖超越老式計算機性能的階段，所以谷歌的這次成果才會引起這麼大轟動。但要注意我們説的是“泄露”，因為這篇論文並沒有真正通過審核，谷歌也並不想公佈這個成果，所以這些都還只能是“疑似”。

     當然，如果谷歌真的完全實現了論文中內容，也確實會説明谷歌在量子計算機研究上獲得了突破。中國這些年在量子計算機領域追趕得很快，但我們整體上屬於後來者，所以也不必過分焦慮。實際上，谷歌這篇論文就引用到了科大的三篇論文；而在諸如量子密碼這樣的領域，中國更是處於領先地位。我們不用自己嚇唬自己，穩紮穩打做好自己的研究才是真的！

視頻鏈接：

https://www.bilibili.com/video/av71644047?from=search&seid=178639257520815075

部分評論：

星東星東：

谷歌證明了量子計算相對經典計算擁有霸權，不過被無良標題黨媒體曲解成谷歌在量子技術領域取得霸權。

DunkelGeist：

這課應該開在中小學。

精彩呈現：“量子霸權”新聞的正確打開方式 | 袁嵐峯

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。

你希望中國的量子計算更快進步嗎？請趕快充錢！

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？