量子計算的真實與謊言

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的核心人物。這套書最新的一本叫《本源》(Origin)。

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

在這本書中，嵌入了特斯拉汽車的廣告。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在實用量子計算領域仍一馬當先。

一、科研投入

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

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

但我覺得，很多記者并不知道自己在說什么。

也許，誰能拿到經費才是關鍵。

關于研發(fā)經費來自政府還是私營公司，倒是個有趣的事。

據(jù)Quantum Insider/光子盒統(tǒng)計，中國關于量子的財政撥款(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(shù)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》雜志上關于私營公司投資量子技術的分布圖，雖然數(shù)據(jù)稍微有點舊，但可以看出中外差別還挺大的。

二、量子科技的分類

量子科技的應用主要有量子計算和非量子計算兩大類。我這樣分類，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。反正他們說巨有用，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

關于量子計算的研究呢，雖然超級復雜，但仍可簡單分為硬件和軟件。

其中硬件需要很多實驗物理學家和尖端工程師，還要很多很多貴重的高級儀器，門檻非常高。

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

接下來，我們開始展開少量技術內容。

三、量子算法

用來破解互聯(lián)網(wǎng)公鑰加密(RSA或ECC)的算法(分解質因數(shù))，叫作Shor算法。它早已被Mr. Shor發(fā)表出來，但過了近30年仍沒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加密潛在的破解風險，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)經過兩輪篩選，選中了NTRU等7個主要算法和8個候補算法。據(jù)說在今年，會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”進入了第三輪。

據(jù)NIST說，對稱算法如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？

量子計算的實現(xiàn)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和谷歌領頭的超導量子計算，應該是最燒錢的方式。因為超導需要用一個大冰箱：世界上最貴的冰箱，用稀釋制冷等復雜技術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，即使在萬物蕭殺的絕對零度附近，超導量子比特的存活時間，只有微秒量級(百萬分之幾秒)。任何噪聲情況下的計算都可能產生錯誤，科學家經常要用5個量子比特(qubit)來校正1個，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75億人身上所有的原子數(shù)。但實際上其中大多數(shù)qubits是用來作校正的，并不能完全用來模擬。

按的IBM Roadmap，每年qubits數(shù)翻一番，再過10來年可以達到可以運算Shor的百萬qubits，這就是傳說中的量子摩爾定律。

超導環(huán)像藝術品一樣（Credit: IBM）

“100個qubits的冰箱有一個房間那么大，那100萬qubits需要多大的冰箱呢？”---一個傻瓜問道。

磚家笑笑說，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實現(xiàn)上有兩大瓶頸，一個是剛才提到過的穩(wěn)定性(噪聲和糾錯)，另外一個是可擴展性(100qubits到100萬)。

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

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

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3D的空間內，這就是所謂“陷阱”。

（離子肼機的畫風十分硬朗Credit: Honeywell）

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

總體來看，離子肼也絕非省錢的方案，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”進度更慢，似乎仍是下一代的技術。

拓撲粒子學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9，簡直像天使一樣完美。

那么，我們在引言中說的D-Wave是干啥的？他們?yōu)槭裁茨鼙绕渌以缳u10多年？

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

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

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

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

D-Wave把問題分解成常數(shù)和變量，賦值給量子比特，然后量子們會自動找到最優(yōu)解自然疊加展現(xiàn)出來，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：宇宙喜歡讓人類通過仇恨和戰(zhàn)爭自相殘殺，以更快地消耗能量。

六、旁門左道

D-Wave的想法太過詭異，所以量子江湖中的武當少林開始都認為它的旁門左道：D-Wave里面含各種門的量子電路都沒有，根本不是量子計算。

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

正好在此提一下，網(wǎng)上關于量子的科普是個誤導重災區(qū)，量子計算本身并不是他們說的大規(guī)模并行計算。實際上，量子比特并不能同時出現(xiàn)多種狀態(tài)或者存儲多個狀態(tài)，它的狀態(tài)更應該理解成是一個概率，而多個量子比特不同狀態(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，最后的概率是一個結果，不是n個結果。比如，你們小區(qū)明天會不會被封，這是一個極多變量(波)疊加的概率：前幾天一個旁邊小區(qū)的嗓子不太舒服的感染者想吃關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(qū)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，市領導這個變量的振幅最大，能一下子抵消掉無數(shù)小的波。他們決定封城，那你們小區(qū)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數(shù)種狀態(tài)，絕非科普里說的多了幾種0和1的組合，因為每個波函數(shù)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，而那個解(結果)可以通過更適合量子的算法(波的干涉)，更快地收斂出來。

現(xiàn)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有點像用光做的神經網(wǎng)絡，通過光脈沖耦合光子，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(wěn)定性，而且已經有了很多成熟的光學器件可以實現(xiàn)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，因為沒有超低溫和超短存活時間等那些需要巨額投入的環(huán)節(jié)，而且光半導體器件的制作也相對成熟。

不過因為用光的低門檻，各種機構經?？浯笞约旱倪M展：有些只是做簡單“采樣”和“測量”，有些故意不說明自己是做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實驗叫量子實驗，這種宣傳和量子減肥有異曲同工之妙，從法律上和物理學上都挑不出毛病來。

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

幾家大廠推出量子體積的概念來衡量量子計算機的算力，但這只是一個并不成熟的簡單加權打分，其實并不能公正評價各家不同架構機器。

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(jié)。絕大多數(shù)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，會有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。

但眼下沒有誰能買得起做開箱小視頻，所以估計多是廠家贊助的小軟文。

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

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

大家都在說：

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(jié)。