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量子计算远没到可收割的时候

时间: 2017-12-27阅读:

来源:风云之声

概要:我们重视量子计算,是因为它的潜力,而不是它的现状。它确实有革命性的潜力,只是还需要艰苦的努力,绝不是一蹴而就的,更不是已经处在商业盈利的边缘,等着大家一哄而上。建议大家对量子计算采取这样的态度:积极关注;冷静分析;以及作为基础的,认真学习。


随着量子信息科技的发展,公众对这个领域的关注与日俱增。一个例子是,最近不少企业界人士在转发这样一篇文章《太快了!真的,太快了!》,里面说:


“新消息纷至沓来,指向了一个中心思想:IBM量子计算机的商业化时代,正式宣告开始了。


……奇点正在迅速到来。量子计算机+人工智能,将不断迭代出更高级的量子计算机+人工智能,发展的斜率将一下子陡峭起来。


很可能,在不远的将来,人类在量子计算机+人工智能面前,就可能像蚂蚁面对人类一样无力和脆弱。”


如何看待这类文章?正确的态度是:量子计算确实很重要,但在引申它的意义之前,应该先搞清楚它是什么,以及不是什么。


最基本的问题是:量子计算为什么有用?


这要从量子力学说起,即描述微观世界的基本物理理论。


狄拉克《量子力学原理》


在传统的信息科学中,基本单元叫做“比特”,即一个体系有且仅有两个状态。我们现在用的计算机、手机等等,内部都是大量的比特,即大量的两状态系统。


而在量子力学中,有一条原理叫做“叠加原理”,它说的是:如果有两个状态是一个体系可以处于的状态,那么这两个状态的任意“线性叠加”也是这个体系可以处于的状态,这样的体系称为“量子比特”。两个状态的线性叠加有无穷多个,因此一个量子比特就是一个有无穷多个状态的体系。


打个比方,传统的比特相当于“开关”,只有开和关两个状态,而量子比特相当于“旋钮”,是连续可调的,有无穷多个状态。显然,旋钮包含的信息量比开关大得多。用这样的量子比特组合成量子计算机,它肯定可以做到所有的传统计算机能做到的事,还有可能做到一些传统的计算机做不到的事。这些传统计算机做不到的事,就是量子计算机的价值所在。


量子比特


然而,在这里需要做一个理论说明。量子计算机能做的事是不是真的比传统计算机能做的事多?在数学上还没有确定。这涉及到计算机科学中最大的未解之谜“P对NP问题”,即“能够快速验证的问题是不是都能快速求解”。(快速的意思是,计算量随着问题的规模只是多项式增长,不是指数增长。)


举个例子,一个填数字游戏(例如“数独”)的解是很容易验证的,你把这个解填进去看看对不对就知道了。但找到这个解却可能是非常困难的,目前没有快速的解法。


一个典型的数独游戏


上述数独游戏的解(红色的数字)


目前大家认为的量子计算机做到的超过传统计算机的事,都是在实践意义上,即传统计算机没有发现快速的算法,而量子计算机发现了。但是,对这些问题将来会不会发现快速的传统计算机算法?谁也不知道。所以,这类成果的数学基础还不够牢靠。


在这些前提下,我们可以明白一个要点:量子计算机也是需要算法的,而算法与问题有关。因此,量子计算机并不是对什么问题都比传统计算机快,而是只对一些特定的问题比传统计算机快。对特定的问题设计出快速的量子算法,是一件非常需要创造力的事,发明出这些算法的科学家都受到了很高的崇敬。


在传统的算法中,分解一个n位数的计算量是n的指数函数,增长得极快。因此,当n达到上千的时候,分解因数就成了一件非常困难的事。现在最常用的密码体系之一叫做RSA,就是建立在因数分解困难性的基础上的。


RSA密码体系的三位发明者


但是,1994年,美国数学家肖尔(Peter Shor)提出了因数分解的量子算法,可以把这个问题的计算量减少到n的平方。这意味着什么呢?在原理上,分解300位和5000位的数字,量子算法会把所需时间从15万年减到不足1秒钟,从50亿年减到2分钟!


因数分解是量子计算机威力的一个最显著的例子,这也是《太快了!真的,太快了!》一文中举的例子。不过,目前这只在理论层面成立。迄今为止在实验上用量子算法分解的最大的数是一个六位数,291,311 = 523 × 557,是由中国科学技术大学的杜江峰院士和彭新华教授等人在2017年实现的。这离分解上千位的数,还有很远的距离。


在这些背景下,你就可以理解,《太快了!真的,太快了!》一文中提到50个量子比特的量子计算机等等,都是很好的学术成果,但这些离解决文中提到的金融、汽车、半导体、化工等行业的实际问题还差得很远。奇点云云,更是纯属脑洞,贩卖恐慌。


不过,这是不是说量子计算不值得重视,甚至是个骗局呢?当然不是。


我们重视量子计算,是因为它的潜力,而不是它的现状。它确实有革命性的潜力,只是还需要艰苦的努力,绝不是一蹴而就的,更不是已经处在商业盈利的边缘,等着大家一哄而上。


关于量子计算的远景,我觉得比尔·盖茨的格言很有启发性:“我们总是高估未来两年的变化,而低估未来十年的变化。”


比尔·盖茨


如果你问我:量子计算属于一种爆炸式科技进步吗?会持续不断加速度爆炸吗?


回答是:它如果成功了,即造出了超越最强的传统计算机的量子计算机,效果就是爆炸式的。但在当前的技术条件下,我们不知道它什么时间能成功,甚至不知道能不能成功。这跟社交媒体、网购等产业不一样,那些是原理早已清晰了,一切技术条件都可以实现,所以一定会爆炸式发展。而量子计算,还远远不到收割的时候。


马云


因此,我建议大家对量子计算采取这样的态度:积极关注;冷静分析;以及作为基础的,认真学习。


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