【连载】比特币史话 | 量子霸权(1)

(伊万卡·特朗普。图片来源于网络)

本篇看点：特朗普总统的女儿伊万卡为谁点赞？为何点赞？

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2019年10月23日，时任美国总统特朗普的女儿伊万卡·特朗普(Ivanka Trump)在其个人推特账号上发布了一条消息[1]，措辞中难言兴奋之情。“官宣了！美国已经实现了量子霸权！特朗普政府、谷歌和UCSB(加州大学圣塔芭芭拉分校)合作的量子计算机Sycamore只用了3分20秒就完成了传统计算机要花费上万年才能完成的计算。”伊万卡口中所说的，正是谷歌的那台有54个量子比特的量子计算机。要说这量子霸权(quantum supremacy)，还得从量子计算(quantum computing)讲起。

保罗·贝尼奥夫(Paul A. Benioff， 1930-)，美国物理学家。贝尼奥夫从上世纪七、八十年代就在研究量子信息理论，并指出量子计算也可以实现和传统计算机一样的图灵机模型[2]。所谓“量子计算”，是指利用量子力学的一些特殊现象，比如叠加态、纠缠态什么的，来进行计算的一种技术。能够执行量子计算的计算机被称为“量子计算机”。通常认为，量子计算机在解决某些传统计算机非常难以破解的问题——比如非对称加密算法，像RSA加密算法——的时候，速度会异常的快。[3]

这应当归功于美国数学家彼得·肖(Peter Shor)在1994年所发明的量子计算算法，“Shor算法”[4]。通过使用Shor算法，量子计算机可以轻松进行大整数分解的计算，从而一举破解RSA算法。人们同样发现，可以用Shor算法来破解椭圆曲线算法所依赖的离散对数问题。当量子计算机能够以更快的速度解决传统计算机也可以解决的问题时，我们称之为“量子优势”(quantum advantage)；当量子计算机可以真正做到解决传统计算机无法解决的问题的时候，我们就称之为“量子霸权”(quantum supremacy)。如果量子计算机一旦成真，那么全世界的网络通信、金融支付也许都将不再安全。

不过对于普通人而言，大可不必杞人忧天。2001年，IBM用一台有7个量子比特的量子计算机演示了一下Shor算法，只是可以把15分解成3乘以5而已。到2012年，量子计算机已经可以成功分解21了。不管三七二十一，反正这是量子计算机在整数分解问题上目前的最高记录了。[4]

量子计算机做因子分解，也是搜索和试乘，看看结果是不是待分解的数。只不过由于量子力学的一些古怪特性，量子计算机可以同时尝试很多种情况，从而可以在理论上比传统计算机快得多——但只是理论上。事实上，由于受量子比特数量、量子退相干效应等问题的影响，目前我们能够真正实现的量子计算机，在运行像Shor算法这样的有用的量子算法方面，还远远达不到实用。以至于俄罗斯物理学家米哈伊尔·迪亚科诺夫(Mikhail Dyakonov, 1940-)不无悲观的表达了对量子计算机的怀疑[3]：

“为了描述这样一个有用的量子计算机所需要的连续参数，在任意时刻都需要有...10的300次方这么多...我们真的能做到控制超过10的300次方个连续变量参数，用以定义系统的量子状态吗？我的答案很简单：不能，永远也做不到。”

【未完待续】(公众号：刘教链)