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      博客專欄

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      量子計算的真實與謊言

      發布人:金捷幡時間:2022-05-09來源:工程師

      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現,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。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計算機幾億年都算不出來的題,互聯網危在旦夕。


      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。


      關于研發經費來自政府還是私營公司,倒是個有趣的事。


      據Quantum Insider/光子盒統計,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,雖然數據稍微有點舊,但可以看出中外差別還挺大的。


      圖片



      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。


      圖片《自然》雜志: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


      用來破解互聯網公鑰加密(RSA或ECC)的算法(分解質因數),叫作Shor算法。它早已被Mr. Shor發表出來,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去年發布了業界最多的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可以超過75億人身上所有的原子數。但實際上其中大多數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。


      圖片

      超導環像藝術品一樣(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上有兩大瓶頸,一個是剛才提到過的穩定性(噪聲和糾錯),另外一個是可擴展性(100qubits到100萬)。


      為了挑戰這兩大障礙,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,其量子的穩定性比超導要好得多。離子肼的另一個小優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”。


      圖片

      (離子肼機的畫風十分硬朗Credit: Honeywell)


      困在同一個區域陷阱里的離子易于關聯,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境。其量子狀態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。


      可惜,這種天使粒子一直在和人類藏貓貓。


      六、鬼才D-Wave


      那么,我們在引言中說的D-Wave是干啥的?他們為什么能比其它家早賣10多年?


      因為D-Wave做的不是通用量子計算機:它不能執行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:水會從雪山一直流到大海,熱的東西一定會涼下來。


      D-Wave把問題分解成常數和變量,賦值給量子比特,然后量子們會自動找到最優解自然疊加展現出來,因為最優解就是盡快達到能量最小的狀態。


      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的實戰中,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系統。


      正好在此提一下,網上關于量子的科普是個誤導重災區,量子計算本身并不是他們說的大規模并行計算。實際上,量子比特并不能同時出現多種狀態或者存儲多個狀態,它的狀態更應該理解成是一個概率,而多個量子比特不同狀態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小的波。他們決定封城,那你們小區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種狀態,絕非科普里說的多了幾種0和1的組合,因為每個波函數振幅不同,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”。


      雖然D-Wave能用的算法非常有限,但業界逐步開始嘗試用它來解決特定的產業問題,比如供應鏈物流路徑選擇、股****組合的選擇和材料或****物分子組成選擇等等,而這些正是各家千篇一律宣傳量子計算的要點。


      七、光量子


      D-Wave在一定程度上的成功,也啟發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,具有常溫下的穩定性,而且已經有了很多成熟的光學器件可以實現偏振調制、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節,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。


      我并沒有說他們在說謊,這些光量子的PPT和論文看起來確實挺有道理的。但工程實現并不是純科學,現在并沒有什么好辦法來判斷,哪些吹的牛最終有可能成真。


      八、究竟哪家強?


      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。絕大多數機器并不讓你玩,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勢(supremacy)的領域。


      量子圈子互相揭短的事好像并不多,畢竟在現階段量子計算仍是一個極少數人參與的科研領域。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。




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      關鍵詞: 量子計算

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