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量子计算:前途光明 道路曲折(一) 精选

已有 5451 次阅读 2018-12-12 08:09 |个人分类:海外观察|系统分类:科研笔记| 量子计算

 

量子计算:前途光明  道路曲折(一)


文 | 贺飞(北京大学)


https://www.nap.edu/cover/25196/450

本周,美国国家科学院、工程院和医学院的一个由13名量子计算专家组成研究小组向公众发布了长达205页的题为“Quantum Computing: Progress and Prospects”(量子计算:进展和前景)报告,认为“鉴于量子计算的当前状态和最近的进展速度,在未来十年里建造出能够危及RSA 2048或类似的基于离散对数的公钥密码系统的量子计算机,将是高度意外的事。

这份报告共分为七章,其中第1章介绍了半个多世纪以来计算领域的发展历史以及量子计算机的优势。第2章介绍了量子力学的原理如何使得量子计算的实现与众不同和富有挑战,并将其与当前“经典计算机”的运算进行比较。本章介绍了三种不同类型的量子计算:模拟量子、数字噪声中尺度量子(数字NISQ)和全纠错量子计算机。第3章深入j研究了量子算法。包括用于完全纠错机器的已知基本算法及其纠错开销(overhead)、模拟和数字NISQ计算机能达到实用的潜在算法等。第4章讨论了如何应对量子计算机的肖尔(Shor)算法对当前非对称密码的挑战。第5章和第6章则分别讨论了量子计算所需的一般体系结构和迄今为止在构建必要的硬件和软件组件方面的进展。第7章是关于量子计算取得重大进展所需的技术准备和其他因素的评估,介绍了几种评估工具,并展望了该领域未来发展。

这个名为“量子计算的可行性和影响技术评估委员会”研究小组成员包括来自加州大学圣巴巴拉分校的John Martinis,他领导着谷歌量子方面的研究工作;芝加哥大学的David Awschalom,他曾在UCSB领导自旋电子学和量子计算中心;以及加州大学伯克利分校量子信息与计算中心共同主管Umesh Vazirani。此外,来自小组外的成员,如美国达尔格伦海军水面作战研究中心的杰克·法林霍尔特(Jake Farinholt)对量子计算及相关领域的研究提供了文献计量分析;欧洲委员会驻美代表团Mary Kavanagh博士和澳大利亚驻华盛顿大使馆Anthony Murfett先生提供了欧盟和澳大利亚量子科技研究信息。

  

  1. 摩尔定律失效?量子计算成为热门话题

 

上个世纪70年代前后,英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出了摩尔定律,这个定律告诉我们:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。但在部分原因是因为人们越来越担忧半导体技术进展速度有放缓的趋势。尽管这一定律揭示的技术进展趋势已持续半个多世纪,但它毕竟只是推测,而非自然或物理法则。

近年来,国际半导体技术进展速度放缓,以致于有人预计摩尔定律到2020年前后将会失效。对摩尔定律失效的担心,人们对替代计算的兴趣越来越浓厚,量子计算和量子计算机在过去几年里成了一个全球热门话题。而在十多年前,我们当中的大多数人对此还一无所知。近年来关于量子计算机独特的计算能力的讨论,以及其底层硬件、软件和算法的研究进展,更是使大家“脑洞大开”。

在量子计算机之前,我们所有已知的现存计算设备都满足“广义邱奇-图灵论题”(the extended Church-Turing thesis。这一理论认为,任何构建计算设备的能力只能比普通的“通用”计算机多项式地(polynomially)更快,也就是说,任何相对的加速都只能根据幂律(a power law)按比例放大。这些“经典”计算设备的设计者,通过更快的运算(增加时钟频率)以及提升每一时钟周期里完成的运算数,可将计算能力提升许多数量级。虽然这些改变能将计算性能提升许多数量级,但结果仅是比通用计算设备更快的(大)常数因子。伯恩斯坦等人在1993年揭示,量子计算机能违反广义邱奇-图灵论题。1994年,Peter Shor展示了分解大数能力的一个实例:量子计算机可以比经典计算机以指数方式更快地解决这个问题。虽然这一结果令人兴奋,但当时无人知道如何构建一台量子计算机最基本的元素,量子比特(a quantum bit),或“量子位”(qubit),更不用说一台完整的量子计算机了。

【邱奇-图灵论题是计算机科学中以数学家阿隆佐·邱奇(Alonzo Church)和阿兰·图灵命名的论题。该论题最基本的观点表明,所有计算或算法都可以由一台图灵机来执行。以任何常规编程语言编写的计算机程序都可以翻译成一台图灵机,反之任何一台图灵机也都可以翻译成大部分编程语言大程序.该论题和以下说法等价:常规的编程语言可以足够有效的来表达任何算法。该论题被普遍假定为真,也被称为邱奇论题或邱奇猜想和图灵论题。】

 

但情况最近发生了变化。有两项技术,一是使用俘获电离原子(trapped ionized atoms)(俘获离子),二是使用微型超导电路(miniature superconducting circuits),已发展到能让一些研究小组构建小型演示量子计算系统的地步,一些研究小组已取得了成功。这些最新进展使得全世界对量子计算的兴趣激增;然而,研究界对量子计算的潜力及其当前状态的兴趣越来越高的同时,难免也会有炒作和混淆视听的成分。有关量子计算将如何实现计算机性能的持续扩展(它不会)的文章很多,或改变计算机工业的文章也并不罕见(短期影响很小,长期影响未知)。

量子计算可行性和影响技术评估委员会的主要任务是研究通用量子计算机当前技术状态、可能的进展及其影响,重点聚焦理解量子计算硬件、软件和算法的当前发展态势,以及需要什么进展来构建能部署肖尔(Shor)算法的可扩展的(scalable)基于门的量子计算机,厘清量子计算的理论特征和局限性,同时纠正公众对该领域的误解。

委员会试图整合多学科观点,并从系统的视角来思考如何构建实用量子计算机。先后开了三次面对面的会议、一系列电话会以及远程合作。委员会在其工作之初意识到,当前的工程方法不能直接扩展到构建这种可扩展的、完全纠错的量子计算机。于是便集中精力寻找发展里程碑,提出测度这一领域进展的指标。

需要说明的是,相关研究基于公开信息完成,不涉及敏感保密渠道信息。小组成员的专业素养和经验、公开会议上收集的数据、与外部专家的一对一访谈以及来自许多公共领域的信息等都是研究的重要依靠。因此,这一研究毕竟是基于不完整信息,不排除来自公开渠道之外的研究进展(如机密渠道)会改变研究结论。

 

2.量子计算横空出世

 

量子力学是描述非常小粒子行为的物理学子领域,它为新的计算范式提供了基础。量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。我们知道,传统的通用计算机的理论模型是通用图灵机;而通用的量子计算机的理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

量子计算(Quantum. computing,QC)的概念最早由美国阿贡国家实验室的P. Benioff于1980年代初期提出,他提出二能阶的量子系统可用来仿真数字计算;稍后费曼也对这个问题产生兴趣而着手研究,并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Computation中给了一场演讲,勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年,牛津大学的D. Deutsch提出量子图灵机(quantum Turing machine)的概念,量子计算才开始具备了数学的基本型式。但以上量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质,停留在相当抽象的层次,尚未跨入发展算法的阶段。

量子计算提出之初是作为一种改进非常小(“量子”)物理系统行为的计算模型的方法。到了20世纪90年代,随着肖尔(Shor)算法的引入,人们对其兴趣日益增长。1994年,贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出,相对于传统电子计算器,利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性,绝非科学家口袋中的戏法。相对于当今的计算机来说,量子计算机是可提供指数加速的唯一已知的计算模型。量子计算机如果能实现,将会以指数方式加速分析一些重要密码,潜在地威胁到用于保护政府和民间通信和数据存储的一些密码方法。

自此之后,新的量子算法陆续的被提出来,而物理学家接下来所面临的重要的课题之一,就是如何去建造一部真正的量子计算机来运行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算机的基础架构,例如光子的偏振(photon polarization)、腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,CQED)、离子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等等。当前,考虑到系统可扩展性和操控精度等因素,离子阱与超导系统走在了前面。

 

3. 量子计算的基本原理

 

量子力学态叠加原理使得量子信息单元状态可处于多种可能性的叠加状态,从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的2位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加,对于n个量子比特而言,量子信息可以处于2种可能状态的叠加,配合量子力学演化的并行性,可以展现比传统计算机更快的处理速度。

如果把量子考虑成磁场中的电子,电子的旋转可能与磁场一致,称为上旋转状态,或者与磁场相反,称为下旋状态。如果我们能在消除外界影响的前提下,用一份能量脉冲能将下自旋态翻转为上自旋态;那么,我们用一半的能量脉冲,将会把下自旋状态制备到一种下自旋与上自旋叠加的状态上(处在每种状态上的几率为二分之一)。对于n个量子比特而言,它可以承载2的n次方个状态的叠加状态。而量子计算机的操作过程被称为幺正演化,幺正演化将保证每种可能的状态都以并行的方式演化。这意味着量子计算机如果有500个量子比特,则量子计算的每一步会对2^500种可能性同时做出了操作。2^500是一个可怕的数,它比地球上已知的原子数还要多(这是真正的并行处理,当今的经典计算机,所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情)。

虽然这些结果在1990年代非常令人兴奋,但人们的兴趣却只是停留在理论上,因为无人知道用量子系统构建计算机的方法。量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机,但仍存在很多障碍。大规模量子计算的问题是在提高所需量子装置的准确性上存在困难,即如何长时间地保持足够多的量子比特的量子相干性,同时又能够在这个时间段之内做出足够多的具有超高精度的量子逻辑运算。

 

(未完待续)

 

参考文献:https://www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects

 



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