量子計(jì)算一定比傳統(tǒng)計(jì)算優(yōu)秀？未必......

在解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題上，人們一向認(rèn)為量子計(jì)算(quantum computing)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大——至少對(duì)于非專業(yè)人士來(lái)說(shuō)確實(shí)如此。然而，礙于現(xiàn)有技術(shù)的限制，這些理論一直未能被證實(shí)。現(xiàn)在，IBM研究科學(xué)家透過(guò)數(shù)學(xué)方式證實(shí)，量子計(jì)算在“處理某些特定問(wèn)題”時(shí)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快。

然而，關(guān)鍵就在于“特定”(certain)問(wèn)題。IBM量子生態(tài)系統(tǒng)與策略副總裁Bob Sutor在與《EE Times》的電話采訪中表示，透過(guò)數(shù)學(xué)證據(jù)具體證明了量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在處理特定計(jì)算類型的差異。

“這項(xiàng)研究證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的速度更快——由于量子力學(xué)和量子計(jì)算的先天屬性，你會(huì)想在量子計(jì)算機(jī)上處理的任務(wù)或行為是不同的。量子計(jì)算明顯將會(huì)具有這方面的優(yōu)勢(shì)。”

Sutor說(shuō)這項(xiàng)證據(jù)是一個(gè)極其重要的里程碑，因?yàn)樗鼘⒊蔀榻?gòu)量子計(jì)算機(jī)正式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)——包括它們?nèi)绾尉幋a、建構(gòu)以及圍繞著算法做出的選擇及其應(yīng)用方式。不過(guò)，它也提供了有關(guān)何時(shí)是選擇量子計(jì)算最佳使用時(shí)機(jī)或傳統(tǒng)計(jì)算是否仍然足夠等參考。

研究人員們?cè)凇犊茖W(xué)》(Science)雜志的一篇文章——“量子的淺電路優(yōu)勢(shì)”(Quantum advantage with shallow circuits)中介紹這項(xiàng)數(shù)學(xué)證據(jù)。除了IBM Research的Sergey Bravyi，其他研究人員還包括加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)量子計(jì)算研究所的David Gosset、普林斯頓高等研究院(Institute for Advanced Study)的Robert König以及慕尼黑工業(yè)大學(xué)(Technische Universität München)的Zentrum Mathematik。

IBM科學(xué)家以數(shù)學(xué)方式證明，無(wú)論輸入數(shù)量如何增加，在量子計(jì)算機(jī)上處理某些特定問(wèn)題時(shí)只需要固定的電路深度即可，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理相同問(wèn)題時(shí)則需要電路深度隨著輸入數(shù)增加而變大。

為了了解這項(xiàng)證據(jù)的重要性，更要緊的是知道量子計(jì)算中的基本計(jì)算單位是量子位(quantum bit; qubit)，它和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位受限于0或1是不同的，因而能用于處理許多其他的數(shù)值。量子位的潛在計(jì)算能力每次都可經(jīng)由糾纏倍增，而量子位結(jié)合施加于其上的操作，一并被稱為電路。

量子位并非完美，因?yàn)槠溴e(cuò)誤率較小，而且僅存在一段時(shí)間，之后將變得混亂。這即是所謂的同調(diào)時(shí)間(coherence time)，意味著在達(dá)到時(shí)間限制之前只能執(zhí)行哪些操作。所執(zhí)行的操作數(shù)量即是深度，而且量子電路的總深度是每個(gè)量子位的所有深度中之最小值。透過(guò)數(shù)學(xué)還證明，當(dāng)在量子計(jì)算機(jī)上處理時(shí)，某些特定問(wèn)題只需要固定的電路深度，無(wú)論輸入的數(shù)量如何增加，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)則要求電路深度必須隨輸入增加而變大，才能處理相同的問(wèn)題。

這種有限的深度意味著IBM科學(xué)家最感興趣的是短深度電路可以用來(lái)做什么。因?yàn)槎躺疃入娐穼?duì)于實(shí)現(xiàn)量子算法相當(dāng)實(shí)用，而且證明了量子計(jì)算比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢(shì)。數(shù)學(xué)證據(jù)顯示，量子計(jì)算機(jī)在容錯(cuò)方面做的比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更好，但并不一定比所有的計(jì)算機(jī)更好。Sutor說(shuō)：“有時(shí)我覺(jué)得這有點(diǎn)微妙。但這是一個(gè)非常重要的區(qū)別。”

他說(shuō)，這項(xiàng)證據(jù)是第一個(gè)基本步驟，重要的是達(dá)到最后的期望——目前我們正處于量子計(jì)算的早期階段。“實(shí)際上，我們擁有50個(gè)量子位的原型。那是我們現(xiàn)在擁有最大的原型。”

Sutor希望破除業(yè)界的一種迷思——“量子加密末日啟示錄”(quantum crypto apocalypse)，因?yàn)檫@種迷思將會(huì)破壞網(wǎng)絡(luò)上的加密——它其實(shí)需要1億量子位。Sutor說(shuō)：“到處都充滿著奇跡!”