從硬件提升到算法迭代，正在發(fā)生的量子計算革命

本文是 Digital Trends 十周年慶 DT10 的系列文章的一篇，這個(gè)系列文章將描寫(xiě)過(guò)去十年的科學(xué)技術(shù)對我們生活的改變以及展望。

【編者按】本文轉載自機器之心，來(lái)源：Digital Trends，譯者：吳攀、李亞洲、杜夏德

本文是 Digital Trends 十周年慶 DT10 的系列文章的一篇，這個(gè)系列文章將描寫(xiě)過(guò)去十年的科學(xué)技術(shù)對我們生活的改變以及展望未來(lái)十年我們或將實(shí)現的技術(shù)。其涵蓋的領(lǐng)域包括了以及將包括人工智能、醫藥、太空旅行、社會(huì )結構、可穿戴、人機結構、虛擬現實(shí)、生物科技、語(yǔ)言等許多方面，其中本文關(guān)注的量子計算。

Winfried Hensinger 喜歡《星際迷航》。“那是從我讀小學(xué)開(kāi)始的，”位于英格蘭的蘇塞克斯（Sussex）量子技術(shù)中心的這位主管說(shuō)道”，“我想要成為企業(yè)號上的科學(xué)官，所以在我上五年級的時(shí)候我就決定要學(xué)習物理學(xué)了。”

而今天，他在量子力學(xué)的抽象概念上的日常工作甚至足以讓史波克豎起耳朵。

“（量子計算）對年輕人有很大的吸引力，”Hensinger 說(shuō)，“因為它基本上就是科學(xué)幻想。”當他剛開(kāi)始涉足這一領(lǐng)域時(shí)，它還主要局限在理論研究階段。而今天，最有前景的項目已經(jīng)進(jìn)入到了生產(chǎn)通用量子計算機的領(lǐng)域內——這種計算機在幾年前還和《星際迷航》一樣科幻。

“在計算機出現之前，我不得不學(xué)習在打字機上打字，”ensinger 笑著(zhù)說(shuō)，“當計算機出現后，生活真正發(fā)生了改變。而量子計算將會(huì )是一個(gè)類(lèi)似的革命。當這個(gè)革命到來(lái)時(shí)，專(zhuān)注的科學(xué)家、數學(xué)家和工程師已經(jīng)為此工作了數十年。但這到底是什么呢？啊，這里有一個(gè)故事。”

我們現在可以看到很多組織都在競相實(shí)現世界第一臺大型的通用量子計算機。

時(shí)代周刊在其 2014 年的封面故事《The Infinity Machine》中對量子計算進(jìn)行了美麗的描繪：它有望解決人類(lèi)一些最復雜的問(wèn)題。它得到了亞馬遜創(chuàng )始人兼 CEO Jeff Bezos、NASA 和 CIA 的支持。每一臺造價(jià)10,000,000 美元并且在零下 459 度下運行。而且沒(méi)人知道它究竟是怎樣工作的。

隨著(zhù)量子計算機從理論走向現實(shí)，其相關(guān)的領(lǐng)域也即將迎來(lái)爆發(fā)。我們將看到一些之前從未有人預想過(guò)的應用出現：從只有專(zhuān)家理解的科學(xué)實(shí)驗進(jìn)展到這項技術(shù)的怪異和奇妙的應用方式，它將超乎所有人的想象力。

而這一切都要歸功于一只非常著(zhù)名的貓。

量子的科學(xué)

想想這個(gè)：你正用來(lái)閱讀這篇文章的設備將信息存儲成了二進(jìn)制數字的形式，其被稱(chēng)為比特（或位，bit），每一個(gè)比特的值要么是 1，要么就是 0。一個(gè)標準的拉丁字母字符由 8 個(gè)比特構成，其也被稱(chēng)為字節（byte）。帶有 8 個(gè)比特（每一個(gè)是 1 或 0）的字節可以整體用來(lái)指代任何字母數字符號。事實(shí)上，計算機所處理的一切，不管多么復雜，都可以對應成相應的比特串。

而量子計算機所處理的信息則是以量子位（qubit，也稱(chēng)量子比特）的形式存儲的。一個(gè)量子位可以是 1 或 0 或這兩個(gè)狀態(tài)的任何量子疊加。這就有點(diǎn)復雜了。

量子疊加（quantum superposition）是科學(xué)家搏斗了幾十年的“量子怪誕性（quantum weirdness）”中的一個(gè)例子。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它的意思是一個(gè)量子物體在其被觀(guān)測之前可以同時(shí)占據不止一個(gè)狀態(tài)——就像“薛定諤的貓”這個(gè)著(zhù)名的思想實(shí)驗所指出的那樣。

量子計算機并不使用晶體管來(lái)追蹤二進(jìn)制數據值，而是使用的量子物體。這也導致量子計算機的計算能力可以輕松超越傳統計算機。任何給定的量子值集合都可以表示比傳統的二進(jìn)制數據遠遠更多的數據，因為它不需要將數據表示成 0 和 1 構成的數據串。

至少在理論上是這樣。盡管研究者在量子計算機可能的工作方式上已經(jīng)達成了一致，但事實(shí)證明制造有效的硬件仍然令人難以置信地艱難，這方面也出現了很多分歧。

IBM 使用格型架構（lattice architecture）的 5 量子位處理器，其可以擴展成更大更強的量子計算機

現在，研究者已經(jīng)能夠造出使用了少量量子位的系統了。這些計算機可以很好地用來(lái)測試硬件配置，甚至運行算法，但正如時(shí)代周刊所指出的那樣：它們貴得逆天（ungodly），而且只是研究者設想的最基本的版本。只有當數百個(gè)、數千個(gè)量子位可以共存時(shí)，量子系統才能實(shí)現其真正的潛力。

現在大家都在競相實(shí)現世界上第一臺大尺度通用量子計算機。這方面有兩個(gè)強大的但不同的競爭者，目前還不清楚其中哪種想法會(huì )首先成為現實(shí)。

從理論到實(shí)踐

當被問(wèn)到量子計算的改變時(shí)，Hensinger 說(shuō)：“這曾經(jīng)是一個(gè)物理問(wèn)題。而現在，它是一個(gè)工程問(wèn)題。”盡管在量子計算機的可能工作方式上，我們已經(jīng)有了清楚的理論理解。但要把它造出來(lái)卻不是一件簡(jiǎn)單的事。

困難是多方面的，而且研究者在量子計算的基礎應該是怎樣上還沒(méi)有達成一致。但是，這方面目前有兩種并列的可能性。

一被稱(chēng)為“超導量子位（superconducting qubits）”。這種實(shí)現方式依賴(lài)于超冷的電路，而且當芯片實(shí)現更大規模的生產(chǎn)時(shí)可以提供制造優(yōu)勢。

被困于與中心的方形金芯片相隔 40 毫米遠的 2 個(gè)鈹離子構成了這個(gè)“囚禁離子”量子計算機的核心

另一種方法是“囚禁離子（trapped ions）”，這種方法對溫度等環(huán)境因素的要求較少，但卻存在其它挑戰，比如控制真空內許多單個(gè)的帶電原子。

“超導量子位和囚禁離子都是非常精華的方法，”Hensinger 說(shuō)，“它們都是非常好的實(shí)現，而且它們都能實(shí)現量子計算機。”他和他在蘇塞克斯大學(xué)的團隊選擇了囚禁離子的方向——這是一個(gè)經(jīng)過(guò)了非常慎重的考慮的決定。

“我密切調查了所有不同的實(shí)現和它們的進(jìn)展，”Hensinger 解釋說(shuō)，“我試圖了解它們的前景和它們的困難。”

他的調查表明囚禁離子的方法稍稍領(lǐng)先。囚禁離子與可能會(huì )摧毀量子效應的環(huán)境噪聲很好地隔離，Hensinger 希望這個(gè)優(yōu)勢能讓這種技術(shù)更易于實(shí)現，以及更易于被其他人理解。

Winfried Hensinger（右側）是位于英格蘭的蘇塞克斯量子技術(shù)中心的主管

由 Hensinger 及其蘇塞克斯的團隊所發(fā)明的方法基于單獨受控的電壓，其被用于實(shí)現量子門(mén)（quantum gates），進(jìn)而構成量子電路（quantum circuit）。這種方法和過(guò)去用囚禁離子實(shí)現量子門(mén)的方法（使用激光）有很大的差別，極大地簡(jiǎn)化了構造大尺度量子計算機所需的工程。因此，這種方法仍然處在已經(jīng)經(jīng)過(guò)驗證的方法的范圍內，是通過(guò)模仿已有幾十年歷史的傳統晶體管架構，而不是完全從頭開(kāi)始。

“有了這個(gè)概念，打造量子計算機就變得簡(jiǎn)單多了，”Hensinger 說(shuō)，“這也是我對囚禁離子非常樂(lè )觀(guān)的原因之一。”

蘇塞克斯量子技術(shù)中心的這個(gè)團隊選擇囚禁離子還有另一個(gè)更為實(shí)際的原因：它可以在室溫下工作。而超導量子位不行。

另一條路徑

IBM 是在新興的量子計算機領(lǐng)域角逐的最大型的公司之一，而其公司的體量也為其提供了優(yōu)勢。首先也最重要的是資金問(wèn)題，對于一家價(jià)值上千億美元的公司來(lái)說(shuō)，做成一件事會(huì )比一個(gè)資源有限的學(xué)術(shù)組織要容易得多。

但資金并不是 IBM 唯一的競爭優(yōu)勢。在該公司存在的這 105 年中，許多偉大的頭腦都曾在這里留下過(guò)印記——而且在一些情況下，他們的專(zhuān)業(yè)知識仍在發(fā)揮效力。該公司的人才和資源的組合優(yōu)勢讓其選擇了超導量子位作為其研究的基礎。

IBM 的一個(gè)量子計算機的物理結構由5個(gè)配置在印制電路板中的量子位處理器構成。“它被安置在我們的稀釋制冷機（dilution refrigerators）的底部。”IBM 實(shí)驗量子計算（Experimental Quantum Computing）團隊經(jīng)理（Jerry Chow）說(shuō)，“如果你看過(guò)它們的照片，你就知道它們看起來(lái)非常大，就像啤酒桶。”

在這個(gè)“大冰箱”中，控制線(xiàn)將微波信號傳遞到芯片上，并且引導輸出信號穿過(guò)一系列放大器和無(wú)源微波器件。這些信息可以通過(guò)經(jīng)典計算機進(jìn)行解讀，從而讓該團隊可以在冰箱之外讀取該系統的量子位狀態(tài)。

“我認為超導量子位真的非常吸引人，因為它們是可以微型化制造的（micro-fabricatable）。”

IBM 的這套包含冰箱和所有的配套電子器件的設備占據了超過(guò) 100 多平方英尺的空間。這就是該技術(shù)的缺點(diǎn)。它需要非常非常冷，而制冷設備不易小型化。

但既然可以選擇囚禁離子，為什么還要這么麻煩？

“IBM 選擇超導量子位的原因或多或少是因為歷史的原因，”Chow 說(shuō)，“我們有一個(gè)可以在使用約瑟夫森結（Josephson junction）的低溫經(jīng)典計算上工作的程序。”具備必需的專(zhuān)業(yè)知識的研究者的興趣還在繼續，而當用于量子計算的超導電路的思路出現時(shí)，該公司之前在低溫研究上的成果就能幫助它旗開(kāi)得勝。

原因還有更多。IBM 選擇的技術(shù)與其在計算機芯片開(kāi)發(fā)上的專(zhuān)業(yè)知識非常吻合。“我認為超導量子位真的非常吸引人，因為它們是可以微型化制造的（micro-fabricatable）。”Chow 解釋說(shuō)，“你可以在硅晶圓的計算機芯片上制造它們，也可以使用晶體管工藝那種標準的光刻技術(shù)來(lái)制作它們的模式，因此在這個(gè)意義上存在一種簡(jiǎn)單的規?；姆椒?。”

Jerry Chow在IBM的T.J. Watson研究中心的量子計算研究實(shí)驗室

這些相似之處并不代表著(zhù) IBM 的量子計算機和你的桌面計算機之間的相似之處——它們的技術(shù)是非常不同的。但其制造工藝中的特定元素與今天普遍使用的技術(shù)有些類(lèi)似。

IBM 和蘇塞克斯大學(xué)只是競相實(shí)現大型通用量子計算機的最終目標的許多組織中的兩個(gè)。但參與到該研究中的個(gè)人并不是在尋找什么值得吹噓的資本。他們想要創(chuàng )造歷史。

健康的競爭

對一個(gè)一直從事量子計算研究的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，最終的成品用的是囚禁離子還是超導量子位的問(wèn)題沒(méi)啥好討論的。

“因為這就好像回到了 50 年前，當計算機大要占滿(mǎn)整棟房子時(shí)，問(wèn)你想要一臺 Windows 個(gè)人電腦還是一臺 Mac，”Hensinger 說(shuō)到。“其實(shí)我只想要臺量子計算機。”

囚禁離子和超導量子位是其中兩個(gè)最為領(lǐng)先的概念。

該領(lǐng)域已經(jīng)見(jiàn)證了無(wú)數個(gè)研究團隊盡管在早期看到了希望但最終還是碰了壁。既然囚禁離子和超導量子位已經(jīng)取得了領(lǐng)先，那么大尺度量子計算機的實(shí)現就能不必依賴(lài)一個(gè)特定的解決方案，這將對所有的相關(guān)研究團隊都有好處。

Hensinger 指出，“不同的團隊有不同的嘗試，這才是一個(gè)健康的氛圍。”雖然取得重大進(jìn)步會(huì )帶來(lái)成就感，但是所有的研究發(fā)現都將與廣泛的科學(xué)社群共享，這樣這整個(gè)領(lǐng)域才能前進(jìn)。

此時(shí)，蘇塞克斯大學(xué)的團隊正在將幾個(gè)不同的實(shí)驗融進(jìn)一個(gè)功能齊全的系統中，這個(gè)系統能訪(fǎng)問(wèn)少數量子位。這個(gè)項目有望在未來(lái)三到五年內完成。之后的目標就是一臺使用許多量子位的大型量子計算機，這可能需要15到20年，IBM在該項目上也有一個(gè)類(lèi)似的時(shí)間計劃表。

這兩個(gè)研究團隊會(huì )在此期間作出更多的進(jìn)步。“在接下來(lái)的這幾年，你將會(huì )看到相干時(shí)間提升，也會(huì )看到完全可控的量子位數量增加，”Chow 解釋道。

完美的量子計算還需要幾年，因此你無(wú)法知曉它能應用的所有領(lǐng)域。但是全世界的專(zhuān)家都在研究量子算法來(lái)看看量子計算的硬件可能會(huì )是什么樣子，最終的結果之多可能堪比這個(gè)硬件帶來(lái)的影響。

量子“軟件”

Krysta Svore 跟著(zhù) Andrew Wiles 學(xué)習數學(xué)的時(shí)候第一次接觸了量子計算。Svore 說(shuō)道，“Wiles 說(shuō)這是計算的一種模型——一種有潛力的計算機——可以真正的打破 RSA 加密。我們稱(chēng)之為因子分解問(wèn)題。”

Krysta Svore 管理著(zhù)微軟的量子架構與計算團隊

她解釋說(shuō)，“我主修數學(xué)，所以我非常著(zhù)迷有這樣一臺計算機解決我們認為非常難得問(wèn)題。”Svore 一頭扎入其中，如今她在微軟研究院管理著(zhù)微軟的量子架構與計算團隊。她的團隊專(zhuān)注于軟件，但跨越了從特定量子算法的開(kāi)發(fā)到軟件架構與工具箱這樣的基礎設施。

但什么是量子算法？它是干嘛的？

“在最高層次上，量子算法類(lèi)似于傳統算法，是解決問(wèn)題的一種處方（recipe），而這種處方的編寫(xiě)總是依據數學(xué)。”

人的大腦能夠理解“尋找數字X的所有因子”這樣的問(wèn)題，但計算機不能。即使要求計算機解決最簡(jiǎn)單的等式也需要特定的二進(jìn)制輸入。然而二進(jìn)制編碼是低效的，所以在傳統計算機上程序員使用 Python 或 C 這樣的計算機語(yǔ)言縮減之間的差距。

代碼語(yǔ)言已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，讓大部分程序員能在不接觸原二進(jìn)制輸入與輸出的情況下工作。完整的算法經(jīng)常用代碼寫(xiě)進(jìn)編程語(yǔ)言中，所以通過(guò)輸入適當的 reference 就可使用這些算法。

如今，所有的編程語(yǔ)言都會(huì )將指令轉譯成二進(jìn)制的機器代碼。因為這些代碼不是量子計算機能使用的，所以對編程一臺量子計算機而言它們是無(wú)用的。這也就是Svore和她的團隊要做的事，開(kāi)發(fā)出一種有效的新語(yǔ)言。

量子軟件得到關(guān)注是不可避免的，這樣該領(lǐng)域才不會(huì )在硬件問(wèn)題得到了解決之后碰壁。

Svore 說(shuō)，“我們已經(jīng)為量子計算特意開(kāi)發(fā)了一個(gè)編程語(yǔ)言，我們的語(yǔ)言和工具叫做 LIQUI|>，它能讓我們表達這些量子算法，然后進(jìn)行一系列的優(yōu)化、匯編，并將語(yǔ)言指令重新編寫(xiě)進(jìn)特定設備的指令。”

微軟有自己的平臺，但全球的研究團隊都在使用類(lèi)似的流程。Dorit Aharonov 是希伯來(lái)大學(xué)的教授，她對量子硬件上運行的算法的描述類(lèi)似于Svore的處方類(lèi)比。

她解釋說(shuō)，“算法是計算機運行的一系列步驟，它要是高效的，需要盡可能用少的步驟完成這些任務(wù)。重點(diǎn)是量子算法要能比傳統算法更快的完成特定的運算，因為它們有能力以指數的方式一次性探索眾多可能。”

所以，如果算法是被用于運算的一系列步驟，量子算法就是專(zhuān)門(mén)設計的類(lèi)似的一系列指令，用來(lái)掌握量子對象的計算能力。然而，在軟件與硬件之間的關(guān)系中有另外一種復雜性，沒(méi)有大規模的通用量子計算機，對研究量子算法的研究員而言很難保證他們的研究方向是正確的。

如今，要關(guān)注量子軟件是一件非常緊急的事，這樣該領(lǐng)域才不會(huì )在硬件問(wèn)題得到了解決之后碰壁。在很多情況下，硬件和軟件研究項目是要同步的。

量子代碼

廣義上來(lái)講，量子算法是量子計算機硬件的軟件，但這一類(lèi)比也就只到此為止，在硬件仍不穩定的情況下，量子算法的開(kāi)發(fā)可以鼓舞量子計算機的開(kāi)發(fā)，反之亦然。

微軟研究院在與哥本哈根大學(xué)、荷蘭的代爾夫特大學(xué)、悉尼大學(xué)這樣的世界級團隊合作，所以它的硬件位于全世界多個(gè)學(xué)術(shù)實(shí)驗室。Svore 說(shuō)，“我們定期拜訪(fǎng)這些實(shí)驗室，整體上我們像是一個(gè)虛擬的團隊，因為一些最好的資源是遍布全球的。”

和物理硬件一樣，量子結構與計算團隊有權限模擬傳統系統上運行的量子計算。“這使得我們能夠調試量子算法，測試并設計新的量子算法、量子回路和子程序。”Svore 說(shuō)，“在真正的運行之前，我們想要在模擬中測試盡可能多的設備設計與算法設計。”

這種模擬測試為該團隊提供了巨大的優(yōu)勢。Svore 和她的合作方在需要的時(shí)候能對算法進(jìn)行測試與迭代，從而使得硬件團隊看到量子計算機如何在實(shí)踐中可被應用。但如同你所想的那樣，在傳統計算機上模擬量子硬件有所缺陷，Svore的團隊使用的虛擬設備大約為32 GB RAM 模擬30量子位，每增減一個(gè)量子位，內存就要翻倍。

微軟并不是唯一一個(gè)通過(guò)應用來(lái)測試其量子成果的大公司。今年早些時(shí)候，我們看到了IBM 的量子體驗項目，這是一個(gè)允許學(xué)者和愛(ài)好者使用 5 量子位系統的在線(xiàn)接口。

IBM 的量子體驗讓用戶(hù)能夠從一個(gè)基于云的平臺那里運行算法和實(shí)驗

IBM 的 Chow 說(shuō)，“我們想要建立一個(gè)社區，進(jìn)一步發(fā)展該領(lǐng)域。我們認為，隨著(zhù)我們使得這些量子處理器變得更大更功能性，在某個(gè)時(shí)刻，每個(gè)人都會(huì )有能力在新的實(shí)驗室中進(jìn)行量子體驗。我們想要向人們展示這些處理器與系統的質(zhì)量，也使得人們能在上面進(jìn)行研究，加速量子計算研究領(lǐng)域的創(chuàng )新。”據 Chow 而言，用戶(hù)已經(jīng)使用IBM量子體驗進(jìn)行基礎的量子力學(xué)測試、簡(jiǎn)單的錯誤檢測協(xié)議、相比于模擬實(shí)驗觀(guān)察噪聲水平。該項目提供了通向有效硬件的前所未有的道路，對希望進(jìn)入該領(lǐng)域的學(xué)生而言這也是一個(gè)巨大的福利。

Chow 也說(shuō)道，“從教育角度來(lái)說(shuō)，這是一件大事。我們能夠讓處于量子計算課程與量子力學(xué)課程之間的學(xué)生接觸量子體驗，讓他們進(jìn)行更多的思考，在一個(gè)在線(xiàn)系統上驗證課程上學(xué)習到的內容。”了解到該工具將服務(wù)各個(gè)水平的用戶(hù)，IBM 團隊在盡可能的把該系統變得更受歡迎。

Chow 解釋說(shuō)，“我們想要一個(gè)視覺(jué)上的吸引力，視覺(jué)震撼上的體驗。這也是為什么我們做了一個(gè) Composer 工具，我們想與音樂(lè )有個(gè)類(lèi)比。”該工具是用來(lái)創(chuàng )造量子樂(lè )譜文件，看起來(lái)就像一個(gè)音樂(lè )譜子。五線(xiàn)譜對應計算機的五個(gè)量子位，用戶(hù)能拖放不同的門(mén)和運算。

Chow 說(shuō)，“在實(shí)際運行之前，你可以視覺(jué)體驗量子項目看起來(lái)怎么樣。”音樂(lè )演奏與量子計算機之間的對比在該領(lǐng)域是很普遍的，所以召喚更多的非專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)入該流程這是非常合適的一種方式。“就時(shí)間意義而言，這是一個(gè)很好的類(lèi)比，也很好的類(lèi)比了量子運算的順序。所以，從此看來(lái)它真的像是一個(gè)音樂(lè )譜。”

如果你覺(jué)得自己沒(méi)能力用到量子計算機，不要覺(jué)得自己被排除在外了。到2016年，世界上也只有極少比例的人能接觸到量子計算機。如今用過(guò)這樣系統的大部分人可能都是心驚膽戰的。這也是Svore這樣的工程師想要改變的事。設計出的 LIQUI|> 平臺為該領(lǐng)域的人提供了與量子硬件更直接的交互方法；IBM 的量子體驗向每個(gè)人開(kāi)放硬件，無(wú)論用戶(hù)對底層概念很熟悉，還是只是對該技術(shù)感興趣。

和 1950 年代早期的計算機一樣，今天的量子計算機要占據一整個(gè)實(shí)驗室

在硬件向著(zhù)大規模通用系統持續發(fā)展的同時(shí)，這些工作也在幫助將更多天才的頭腦吸納到這個(gè)領(lǐng)域內。這些早期的軟件開(kāi)發(fā)工作希望構建一個(gè)有興趣且有技能的程序員受眾，讓他們可以直接用上量子計算。

他們將會(huì )做出怎樣的應用？這里有無(wú)窮的可能性。但為了了解這個(gè)領(lǐng)域目前的狀態(tài)和未來(lái)的趨勢，我們需要了解一下最早引發(fā)對量子計算的興趣的算法。

匹茲堡卡耐基梅隆大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院的 Ryan O’Donnell 說(shuō)，“Shor 的算法無(wú)疑是量子計算機中最有名、最驚人的應用。真的，它是該領(lǐng)域的主要靈感。”

只要有計算機，無(wú)論是人的還是電子的，都會(huì )要求找到給定數字的質(zhì)因數。數字較小、易管理時(shí)這還不難，但數值越大，求質(zhì)因數的過(guò)程越復雜。

“如果能建立一個(gè)全尺度的量子計算機，就意味著(zhù)能破譯所有的密碼。”

O'Donnell 說(shuō)，“我說(shuō)的是極其大的數字，有著(zhù)數千位的數字。計算機很容易算到兩位萬(wàn)位數字的乘積，只需要幾納秒。但我們還沒(méi)有高效的算法解決逆向難題，找到一個(gè)極大數字的因數。”

高效一詞很關(guān)鍵。有一個(gè)算法能夠求解大數字的因數，但不幸的是它還不足以說(shuō)是高效。它求解 1 萬(wàn)位數值的因素所花費的時(shí)間，宇宙能完全演化一個(gè)周期。計算機即使再快 10 倍、100 倍也毫無(wú)用處，所以我們需要全新的計算機。

O’Donnell 說(shuō)，“199年，Shor 展示了一個(gè)量子計算機算法，能夠高效的求解大數字的因數。”從此之后，它就成為了該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)標尺。

2001 年，IBM 使用一臺7量子位的量子計算機求解了15的因子3和5。2012年，一個(gè)研究團隊求解了21的因子。然后到了2014年，一種被稱(chēng)為極小化算法（minimization algorithm）的前沿方法成功求解了56,153的因子。

卡耐基梅隆的 Ryan O’Donnell 說(shuō)量子計算機能解決現有的每種密碼學(xué)

O’Donnell 還說(shuō)道，“除了現實(shí)意義，Shor的算法在數學(xué)上也很具美感。它啟發(fā)的許多人尋求超快的量子算法解決其他在常規計算機上無(wú)法解決的計算任務(wù)。”

如同你能想象的，尋找這樣的任務(wù)需要一定的抽象思維，以及對相關(guān)概念的極大掌握。為仍處于積極開(kāi)發(fā)階段的計算形式尋求應用不是一件小事。

O’Donnell 說(shuō)，“在量子計算機建立起來(lái)之前，有人可能想知道做這些事的意義。這讓我想到了Ada Lovelace和Babbage的Analytical Engine的故事。”這是出現在19世紀50年代的通用物理計算機的假設。“Ada Lovelace 在 Babbage 的計算機上設計了解決特定數學(xué)難題的著(zhù)名算法，那是在我們能造出這種計算機的 100 年前。”

應用算法

很難明白過(guò)去一個(gè)量子算法的抽象性質(zhì)以及這些概念是如何被應用來(lái)解決現實(shí)世界中的問(wèn)題的，尤其是如果你不懂數學(xué)。幸運的是 Shor 的算法能展示量子計算機產(chǎn)生的結果，或者說(shuō)后果。

NASA的512位Vesuvius處理器被冷卻到20 millikelvin

想像一下 Shor的算法正在一臺傳統計算機上運行。就像前面提到過(guò)的，10000位數的因式分解，要花上幾千年才能算出來(lái)。“即便聽(tīng)上去有點(diǎn)入讓人失望，但是有一點(diǎn)還是令人安慰的，”O’Donnell 說(shuō)。“幾乎所有的網(wǎng)絡(luò )安全和密碼都依賴(lài)于計算機能在一個(gè)確切的時(shí)間內做出 10000 位數的因式分解。”

如果真的能造出實(shí)體的量子計算機，那真的很難猜測它對密碼安全意味著(zhù)什么。“我們有可能造出一個(gè)全面的量子計算機，這就意味著(zhù)計算機幾乎能破解所有的密碼。”O'Donnell 補充道。

當然，以目前該領(lǐng)域領(lǐng)先的研究來(lái)看，還遠不能造出一個(gè)全面的量子計算機，所以黑客集團沒(méi)有攻克所有密碼不是因為他們不想，而是沒(méi)那個(gè)能力。但是這也揭示了量子計算機出現后能產(chǎn)生的影響有多么深遠。“目前還很安全，”O’Donnell 說(shuō)。“但是國家安全局已經(jīng)建議在不遠的未來(lái)每個(gè)人都應該放棄基于因式分解的加密技術(shù)，正是因為量子計算機很有可能真的出現。”

“大部分人正在從針對量子技術(shù)尋找一個(gè)經(jīng)典的加密技術(shù)來(lái)研究后量子密碼學(xué)（post-quantum cryptography），”Svore 說(shuō)道。“現在的研究焦點(diǎn)是找到比RSA更強大的東西。下一代會(huì )是什么？我們知道 RSA 在量子計算機面前不再有用——那其他的呢？”

它能完全模擬任何任意的系統。那才是最重要的事情。

量子硬件的另一個(gè)直接應用是進(jìn)一步研究其他領(lǐng)域的科學(xué)。“它能夠完全模擬任何任意的系統，”Winfried Hensinger 說(shuō)。“那才是最重要的事情。”

傳統系統的有限計算能力意味著(zhù)一個(gè)模擬模型特定元素一定達不到它的最佳精確度。“它與量子計算機之間的差別是你不必再制造這些近似值了，”Hensinger 繼續說(shuō)到。“你只要模擬整個(gè)系統就好。”

這可以為那些依賴(lài)模擬來(lái)收集數據的研究項目帶來(lái)影響深遠的優(yōu)勢。確實(shí)如此，我們在這類(lèi)使用上看到了富有意義的進(jìn)展。7月，谷歌宣布它的量子設備已成功地計算了氫分子的電子結構。

最后，記得關(guān)注微信公眾號：鎂客網(wǎng)（im2maker），更多干貨在等你！