“量子霸权”新闻的正确打开方式 | 袁岚峰
2019年9月底，有一条轰动的新闻：谷歌实现了“量子霸权”（quantum supremacy）！
许多人对这新闻的感觉，可能是“霸权”这个词很刺激。是美国对其他国家的霸权？还是谷歌对其他企业的霸权？有些人热血上涌，连阴谋论都出来了。
其实，这条新闻的正确打开方式完全不是这样。首先，量子霸权是一个科学术语，跟政治或商业无关。然后，这个成果还没有得到确认，因为论文还没有正式发表。用描述非典的语言说，现在的状态是“疑似”。
要理解这个新闻，我们需要解读这样几点。
第一个问题是，量子霸权是什么意思？
回答是：量子计算机在解决特定问题上远远超过现有的计算机。
由此可见，量子霸权说的是量子计算机对传统计算机的霸权，而不是国家之间或者企业之间的霸权。如果你不喜欢霸权这个词，那么把它称为压倒性优势或者决定性优势也无妨。
第二个问题是，量子计算机为什么可以远远超过传统计算机？
回答是：因为它们的基本原理不一样。
大家知道，“比特”（bit）是信息科学的基本单元。它指的是一个体系有且仅有两个可能的状态，常常用“0”和“1”来表示，例如硬币的正和反两个面或者开关的开和关两个状态。所以作为一个形象的比喻，比特就是一个开关。
但量子计算机的基本单元却不是比特，而是“量子比特”（qubit）。它不是一个开关，而是一个旋钮。旋钮跟开关的区别在哪里呢？旋钮是连续可调的，你可以把它转到任何一个角度。
这个比喻严格表述，就是量子力学中的“叠加原理”：如果两个状态是一个体系允许出现的状态，那么它们的任意“线性叠加”也是这个体系允许出现的状态。
什么叫做线性叠加？看下面这个图就容易明白。
首先，我们要把一个量子力学中的状态理解为一个矢量。也就是说，它是有方向的。
然后，为了方便书写，我们引进一个符号：左边一个竖杠，右边一个尖括号（|>）。这个符号叫做“狄拉克符号”（Dirac notation）。当我们要表示一个状态的时候，把一些字母或者数字填到狄拉克符号里就可以了。
回头看叠加原理里的第一句话：“如果两个状态是一个体系允许出现的状态。”现在我们可以把这两个基础的状态写成|0>和|1>，它们在图中分别对应两个方向的单位矢量，这两个方向成90度角。
最后，线性叠加就是两个单位矢量按照某种比例的组合，组合的结果可以指向任何一个角度。例如图中的|+>这个态指向45度角，而|->这个态指向135度角，其他某些状态对应25度、100度等等。
了解这些基本原理之后，你就可以明白，一个比特只有两个状态，一个量子比特却有无穷多个状态。因此，量子计算机有可能做到传统计算机做不到的事。
第三个问题是，量子计算机的研究现在是什么状况？
基本状况是：进步迅速，但离实用还远。
这里有个严重的误解，一定要澄清一下。很多科普作品把量子计算机描写得无所不能，但实际上，量子计算机并不是干什么都特别快，而是只对于某些特定的问题才特别快。
可以这样理解：量子比特包含无穷多个状态，这是一个潜在的优势。这个优势是否能发挥出来，是依赖于问题的。对于有些问题，人们设计出了高明的量子算法，它们的表现远远超过传统的算法。而对于其他问题，量子算法并不比传统的算法强。
量子计算机擅长的问题虽然还不是很多，但在其中就有一些非常重要的。
例如最著名的一个叫做“因数分解”，就是把一个合数分解成两个质数的乘积，21 = 3 × 7这种。你不管三七二十一就可以立刻分解21，但当一个数字很长的时候，用传统计算机分解它就非常困难。用数学语言表述，分解一个n位数所需的时间是随着n指数增长的。例如，如果计算机一秒做一万亿次运算，那么分解一个300位的数字需要15万年，而分解一个5000位的数字需要50亿年。
现在最常用的密码体系之一叫做RSA，它就是基于因数分解的困难性来保密的。我公开一个很大的数，如果你能把它分解成两个质数，你就能破解我的密码，但我有信心你在合理的时间内解不开。
但是，对量子计算机来说，因数分解不是难题。1994年，肖尔（Peter Shor）发明了一种量子算法，把因数分解的计算量从指数级别减少到了多项式级别。
因此，量子算法可以把分解300位数字的时间从15万年减到不足1秒钟，把分解5000位数字的时间从50亿年减到2分钟！在这个意义上，RSA密码已经被破解了。
不过，这个破解只是理论上的，因为在实验上我们还没有造出能分解上千位数字的量子计算机。小规模的演示是有的，例如我的科大同事杜江峰和彭新华等人在2017年实现了291311 = 523 × 557。这比以前演示的15 = 3 × 5进步了不少，但离实用还远。
量子计算机这么难造，是因为在物理上有很多难题，包括量子比特的制备、操作、读取和纠错等等。
从积极的一面来说，如果你想从事科研，那么量子计算是大有可为的。这是当今最热的研究领域之一，各国的政府和企业都在大量地投资。谷歌对量子计算的投资一向是领头羊，所以这次它取得重要成果很正常。
于是我们到了第四个问题：谷歌这个成果到底是什么？
让我们从2017年5月的一条新闻说起。当时许多媒体热报，科大的潘建伟和陆朝阳等人造出了一台光量子计算原型机。“光”的意思是它用光来实现量子比特。但这台量子计算机到底做到了什么？大多数人都“不明觉厉”。实际上，它的成就是：第一次对于某个问题超越了早期的电子计算机。
什么问题呢？这个问题叫做“玻色子取样”（boson sampling）。这是一个很偏门的问题，选择它就是因为量子计算机处理它有优势。这台量子计算机在处理“玻色子取样”的时候，比四五十年代的第一台电子管计算机ENIAC和第一台晶体管计算机TRADIC快了10到100倍。
你也许会问：现在随便一台个人电脑都比这些古老的电子计算机快得多，这岂不是说这台量子计算机还远不如现在的个人电脑吗？确实不如，但这并不能否定这个成果的重要性。
研究人员跟我解释过，希望分三步走实现量子计算机对传统计算机的超越：先超越早期的电子计算机，再超越个人电脑，最后超越最强的超级计算机。这样看来，这个成果就是实现了第一步。
好，现在谷歌的成果就是实现了第三步，超越目前最强的超级计算机。这当然也只是针对一个特定的问题的。这个问题也很偏门，是检验一个随机量子线路的输出分布是不是符合预期。简而言之，就是检验一个量子随机数发生器是不是真随机。
一个机智的问题是：如果传统计算机无法重复它的计算，那怎么知道它算的对不对呢？
回答是：先对比较小的量子线路，用量子计算机和传统计算机对照，确认它们的答案一致。然后逐渐增大体系。到某个程度，传统计算机就算不动了，但由于前面的一致，我们相信这时量子计算机的答案仍然是正确的。
了解这些背景之后，你就可以明白这条新闻报道的那些参数了：这台量子计算机用到53个量子比特，花了200秒对一个量子线路路取样一百万次，而现有的超级计算机完成同样的任务需要一万年。
再次提醒大家，这个成果现在的状态是“疑似”。实际上，这篇论文是被谷歌的合作方NASA泄露出来的，谷歌并不想现在就报道，于是撤稿了。想搞大新闻的是NASA，而不是谷歌。如果论文最终通过评审发出来，那么这当然是一座了不起的里程碑。
一直有人从各种角度论证，实用的量子计算机不可能出现。这次的成果虽然还不实用，但显然前进了一大步。至于你是否把它称为量子霸权？那只是个名称问题。下一步的努力方向，就是对某些有实用价值的问题，造出远超传统计算机的量子计算机。
你可能想问：中国在量子计算领域做得怎么样？
回答是：整体上我们是后来者，投入也远低于欧美。在这个前提下，中国正在迅速进步。例如谷歌和NASA的这篇论文就引用了科大的三篇论文，其中一篇是科大和阿里巴巴合作的。实现量子比特的物理体系有多种选择，中国在光学方面一直是世界领先，在超导也就是谷歌这次用的方面紧随其后。
你希望中国的量子计算更快进步吗？请赶快充钱！
最后，许多人一提到量子计算机，就说“它能破解所有密码”。这种观点怎么样呢？
答案非常微妙。
首先，根本不需要量子计算机，只用传统计算机就有可能破解所有基于数学的密码！因为不定哪天，就会有人发明高效的传统算法。
其次，上面说的是潜力，而就现状而言，量子计算机能破解的只是RSA等一部分密码，不是所有密码。
最后，有一类密码是任何计算机都不能破解的，就是量子密码（quantum cryptography），也称为量子保密通信或者量子密钥分发（quantumkey distribution）。因为量子密码保密的基础是量子力学的物理规律，而不是某个数学问题。基于数学的密码才会被计算机破解，基于物理的量子密码是不会被计算机破解的！
总而言之，如果说量子计算机是最强的矛，那么量子密码就是最强的盾。以子之矛攻子之盾，谁胜？回答是：盾胜！
量子密码现在哪个国家最先进呢？回答是中国，我前面提到的潘建伟等人就做出了决定性的贡献。现在，你明白这方面工作的价值了吧？
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背景简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，青年科学家社会责任联盟理事，中国无神论学会理事，安徽省科学技术协会常务委员，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 致谢：感谢中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室陆朝阳教授、张强教授、张文卓博士与北京理工大学物理学院尹璋琦教授等人在科学内容方面的指教。 责任编辑：孙远