量子计算机：奇迹还是幻影？

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导 读

十六年前，在耶鲁大学寒冷二月中的一天，一张海报引起了Gil Kalai的注意。它刊登了由量子计算专家Michel Devoret做的一系列讲座，讲座宣称将要探讨“量子计算机：奇迹还是幻影”这个问题。Kalai十分希望看到关于量子计算的利弊讨论。“但是消极的方面有点被忽视。”他事后回忆道。于是，他开始亲自投身到这方面的探索中。

现在，这位来自耶路撒冷希伯来大学的数学家，已经成为了反量子计算的代表人士，他在这个由某些数学家、物理学家和计算机科学家组成的松散联盟里面十分活跃。他们主张，量子计算的所有理论承诺在某种程度上可以说都是空中楼阁。他们中的一些人认为，存在足够充分的理论原由证明，量子计算机的核心——“量子比特”，永远无法按照需求执行复杂的编排。而另一种观点则认为，这些机器难以实际运作，或者即便它们真的建成，它们微不足道的优势也不足以弥补成本。

Kalai从数学家和计算机科学家的角度来处理这个问题。他着眼于计算复杂度与量子噪声来分析这个问题。他认为，所有的物理系统都会产生噪声，而保持高度敏感的“叠加态”的量子将不可避免地被外部世界的相互作用所破坏。他说，降噪的意图不是工程技术实现得了的。这样做会违反某些根本的计算定理。

Kalai知道他的观点是少数派。像IBM，英特尔和微软这样的公司已经在量子计算方面投入巨资; 而风险资本家正在出资帮助量子计算初创公司（如Quantum Circuits，由Devoret和他的两位耶鲁同事组建）。 其他国家，尤其是中国，在这方面研究的注资规模达到了数十亿美元。

Quanta杂志最近与Kalai做了一次访谈，主题是关于量子计算和量子噪声问题，以及量子计算十余年的工作是否有可能在几周内被证明是一个错误。以下是对话的精编版本：

你何时开始质疑量子计算机的？

起初，像其他人一样，我对量子计算抱以非常大的热情。 但在米歇尔·德沃雷特在2002年一次名为“量子计算机：奇迹还是幻影”的演讲中，让我感觉到对量子计算的怀疑与批判有点被忽略。与标题所宣称的不同，这场演讲通篇是关于量子计算的溢美之辞，而它“幻影”的一面并没有得到应有的重视。

你何时开始研究这个“幻影”？

到2005年我才决定自己开展研究。 那时我看到了一个科学契机，以及它与我早期工作的一些可能的联系。那是1999年与Itai Benjamini和Oded Schramm 一同完成的一些工作，内容主要关于噪声敏感性和噪声稳定性。

关于“噪声”

我通过噪声来意指一种过程中的错误，对噪声的敏感度是衡量噪声（亦即错误）将会在多大程度上影响过程输出的标准。量子计算跟自然界中的任何相近过程类似，具有噪声，伴有随机波动和错误。当量子计算机执行一个动作时，在每个计算机周期中，有一定概率的量子比特将会被扰动。

这些扰动是问题的关键吗？

我们需要所谓的量子纠错。 但是这需要100或甚至500个“物理”量子位来表示高质量的单个“逻辑”量子比特。 然后，为了构建和使用这种量子纠错码，噪声量必须低于某一阈值。为了从数学上确定所需的阈值，我们必须有效地模拟噪声。 我认为这将是一个有趣的挑战。

你做了什么？

我试图理解，如果由噪声引起的错误是相互联系或链式的，将会发生什么。有一句希伯来谚语叫做祸不单行（Trouble comes in clusters.）；英文里则叫做：屋漏偏逢连夜雨（When it rains, it pours.）。换句话说，交互系统会有错误彼此关联的倾向。错误极有可能会一次性波及很多量子比特。

所以在过去十年左右，我一直在研究复杂量子计算中将呈现出何种相关性，以及哪种相关性会导致量子计算机的失败。

在我以前有关噪声的工作中，我们使用了一种名为傅立叶分析的数学方法，它可以将复杂波形分解为更简单的组成部分。我们发现，如果这些破碎波的频率很低，那么这个过程就很稳定，如果它们偏高，这个过程就很容易出错。

之前的工作让我在2014年与希伯莱大学计算机科学家Guy Kindler一起完成了一篇论文。我们的计算表明，量子计算机中的噪声将消解掉傅里叶分解中的所有高频波。如果你将计算过程想象成贝多芬的交响乐，那么噪音将使我们只能听到贝司，而不能听到大提琴，中提琴或者小提琴。

这些结果也给予了我们充分理由认为，噪音水平不能被有效降低，它仍然远高于达成“量子霸权”、实现量子纠错时所要求的水准。

为什么我们不能把噪音水平

降低到这个阈值以下？

许多研究人员认为我们可以超越门槛，构建量子计算机仅仅是关于降低噪声的工程性、技术性挑战。 但是，我们的第一个结果却表明，噪声水平不能被降低，因为这样做会与基础计算设备的功率计算理论的观点矛盾。 嘈杂的中小规模量子计算机提供原始的计算能力。 它们太原始了，无法达到“量子霸权”。“量子霸权”不可行，遑论更难的量子纠错码呢。

你的对手们是如何回应的？

我的批评者指出，我与Kindler的工作涉及的是量子计算的一种限制形式，并认为我们的噪声模型不是物理的，而是对实际物理情况的数学简化。但我十分确信我们的简化模型所展示的是一个真实而普遍的现象。

此外他们还指出了两个可疑之处: 第一是我试图从计算的考虑中得出有关物理设备工程的结论；第二是从通常应用于大系统的计算理论的推论中得出有关小尺度量子系统的结论。不过我同意，这些的确是不寻常的，甚至可能有些奇怪的分析。

最后，他们认为，这些工程难题不是根本阻碍，只要有足够的努力和资源，噪声可以根据需要降低到接近于零。但我认为，对于任何通用量子线路的实现而言，要获得足够低的误差水平，其代价会随着量子比特的数量呈指数爆炸式增长，因此量子计算机是不可能的。

你怎么能如此确定？

我很确定，但的确也有点担心我的主张被证明是错的。 我们的结果表明，噪声会破坏计算，而噪声结果将很容易在经典计算机上模拟。 这个预测已经可以测试了; 你甚至都不需要50量子比特，我相信10到20个量子比特就足够了。

而对于谷歌和IBM正在构建的那类量子计算机，他们希望，当您按计划执行某一计算过程时，能够得到在传统计算机上难以实现的强大效果。显然，我认为他们的企图将会落空。 所以其实我不需要有多肯定，我只需静静等待，看它的结果就行了。

来源：quantamagazine

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