量子计算机,没有我们想象的那么厉害

人们谈到量子计算机,总会把它和最前沿的科技成就结合起来,希望他能像其它的科技成果一样,很快得以大规模部署,在短时间内改变我们的生活。在媒体的报道和我们的口口相传之中,他仿佛被蒙上了一层“神化”的色彩。甚至,谷歌曾在2019年秋天宣布,其量子计算机的计算速度远远超过了目前最顶尖的超级计算机。

量子计算机,没有我们想象的那么厉害

这样的外观看起来真的挺神秘的对吧?

关于量子计算机的炒作在过去几年里只增不减。就像在加密货币、机器学习和其他时髦领域一样。但是现实,可能会给热衷并且关注量子计算领域的朋友们浇下一盆冷水。即:量子计算机,真的没有我们想象的那么厉害。

它不能改变一切

事实上,量子计算机这个领域的发展通常被描述为商业或技术故事,而不是科学故事。经常的,一个商业或科技媒体会告诉读者,“看,量子计算机下面藏着所有这些深奥的量子物质,这些东西比较难懂,但是可能并不重要。你需要理解的就仅仅是——物理学家们即将建造更快的计算机,它们将彻底改变一切。”

问题是量子计算机,没有改变一切的能力。

是的,量子计算机可以仅仅在几分钟内解决一些特定的问题,例如为了设计一种新药,一个明智的选择就是在计算机上模拟它的行为。困难在于药物分子是由很多粒子组成的,而这些粒子全部遵循量子力学的规律,只有通过量子计算机才能解决这样子的问题,如果让传统计算机解决这些问题,耗时可能比宇宙年龄还要长。

量子计算机,没有我们想象的那么厉害

量子计算机在医药领域有着它独特的作用

但是,大多数专家认为,量子计算机对于许多其他重要问题的帮助微乎其微。此外,尽管 Google 和其他公司最近发表了可信的声明,称他们已经实现了量子加速,但这只是针对特定的、深奥的基准测试。在破译密码和模拟化学等实际应用中,量子计算机的体积和可靠程度想要胜过传统计算机,可能还有很长的路要走。

你可能会问:我们不是已经在量子计算机领域投入了很多东西了吗?前段时间第一台商用计算机不是已经部署了吗?一台堂堂的可编程计算机,怎么可能仅仅在某些问题上更快呢?在这种情况下,“大而可靠”的量子计算机又意味着什么呢?

为了回答这些问题,我们必须深入研究。

让我们从量子力学开始

有一句流传在高校学生中的顺口溜,叫做“量子力学量力学”,足以证明这个理论的艰深难懂。尽管我们今天不会说的太艰深,但是也要至少在了解了他是什么之后,才能对量子计算机是什么有一个客观的认识。

让我们先看一个最经典的误区。

叠加态的概念在日常用语中很难表达。所以,毫不奇怪,许多作者选择了一种简单的解决方法: 他们说叠加意味着“两者同时”,因此量子位是一个可以“同时为0和1”的位,而经典位只能表达其中之一。他们接着说,量子计算机可以通过使用量子位来尝试所有可能的叠加解决方案来达到它的速度,也就是说,在同一时间,或者并行完成所有的任务。这和人们脑海里对于量子力学实验——双缝实验最直观的认识是一致的。

量子计算机,没有我们想象的那么厉害

你的“看”与“不看”决定了光图案的结果

这可能是量子计算普及的根本性失误,也是导致所有其他失误的原因。问题是,只要稍微细想一下,就会发现这个理论是站不住脚的,对于一台计算机,你需要看着它并读取输出结果。但是如果你看到所有可能的答案的等量叠加,按照量子力学规则,你只会看到一个随机的答案。假设这个观点是由量子计算机得出的,如果你不同意这个观点,你甚至还可以自己选一个。(毕竟你的观测会影响到结果本身,对吧?)

叠加的真正含义是“复杂的线性组合”在这里,我们所说的“复杂”,是指“实数加虚数”,而“线性组合”是指我们把不同的状态的倍数加在一起。所以一个量子比特是一个复数,叫做振幅,与它是0的可能性相关还是是1的可能性相关的振幅不同。这些振幅与概率密切相关,因为某些结果的振幅离零越远,看到那个结果的机会就越大。

但振幅不是概率。他们遵循不同的规则。例如,如果一个振幅的某些贡献是正的,而另一些是负的,那么这些贡献就可以相互干扰,相互抵消。当振幅为零时,相应的结果就永远不会被观察到; 同样,它们可以相互干涉,增加某个给定结果的可能性,直到结果得以确认。

这句话可能有点绕,用经典的“薛定谔的猫”解释一下,就是:猫是活着的可能性与死了的可能性,在你不观测的时候处于叠加状态,相互干扰。直到你决定去检查这只猫的死活时,这个叠加状态才会结束,到时候你就会得知这只猫到底是死是活。

量子计算机,没有我们想象的那么厉害

当你把它类推到量子计算机上时,你可能就会明白他的工作原理。量子计算机算法的目的是设计一个构造性和破坏性干涉模式,以便每个错误的答案对其振幅的贡献相互抵消,而对于正确的答案,贡献相互加强。在经过“观测”之后,你就能很大概率得到一个正确的答案。

注意这里说的是“概率”。因为在测量之后,量子态会发生塌缩,根据测量的不同,我们可以得到的是球面上的任何一个点。而这个点未必就是我们想要的计算结果。而量子算法的核心就是尽可能提高我们想要的正确结果的概率。

这才是量子计算机的真实模样,甚至可能会让你有点失望。

那他有什么用呢?

量子计算机有着更好的“缩放行为”。即解决一个复杂的问题,最好的经典算法需要一系列的步骤,这些步骤随着问题复杂度的增加呈现指数增长,然后依次执行这些步骤,以解决这个问题。在这种情况下,对于复杂度低的问题,用量子计算机解决问题实际上比用经典方法解决问题更慢,更昂贵。只有当问题的复杂度增加时,量子计算机的优势才能真正发挥出来,最终占据主导地位。

例如,可编程量子计算机已经成功地模拟了简单的化学反应,为在不久的将来进行越来越复杂的化学模拟铺平了道路。量子模拟有助于预测新分子的特性,随着量子模拟的可行性不断显现,工程师们将能够考虑分子构型。这种能力意味着量子计算机将在加速材料发现和药物开发方面发挥重要作用。

量子计算机,没有我们想象的那么厉害

这种级别的复杂度,才需要量子计算机出手解决问题

同时,因为当量子态被观测时就会发生塌缩,利用这种性质可以监测信息是否被其他人窃取。这也将对信息传输和密码学领域带来突破。

我们现在应该关注什么?

在量子计算机领域,有一个很少被关注的问题叫做“退相干”,这意味着量子计算机与其周围环境(附近的电场、热物体以及其他可以记录量子位信息的东西)之间存在不必要的相互作用。这可能会导致量子位的过早“被观测”,出现塌缩情况。

这个问题唯一已知的解决方案是量子纠错: 一个在20世纪90年代中期提出的方案,巧妙地将量子计算中的每个量子比特编码成数十个甚至数千个物理量子比特的集合状态。但是研究人员现在才开始在现实世界中使用这种错误校正工作,而且实际使用需要更长的时间。

所以,当我们阅读关于50或60个物理量子位的最新实验时,了解这些量子位并没有被纠错是很重要的。在量子纠错成功之前,没有必要奢求量子位能达到一个更高的数量级。

毕竟,路要一步一步走。

知乎上有一个这样的问题:量子计算机出现之后程序员会失业吗?

在读了上面的内容之后,相信大家应该都有一个自己的答案。量子计算机不会让码农们失业,量子码农们才会。

虽然我们完全没有必要去高估甚至炒作它的发展前景,但是也不需要对量子计算的行业未来过度悲观,毕竟当他们真正实现大规模商用之前,一切事情都有可能发生。

不需要对量子计算机技术吹的太狠,只需要怀着足够的耐心等待,说不定就会无心插柳柳成荫。

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