著名物理学家教你如何硬核识破“量子骗局”

我们都知道，一眼识别仿制的路易斯威登包包并不是一件容易的事，那么当商用量子计算机走进我们生活时，买家又该如何去辨别一台“量子”设备是否真的如我们所想的足够“量子”呢？

（图片提供：Luana Azevedo）

日本名古屋大学数理信息学院的物理学家Francesco Buscemi是如此描述这个问题的，“随着越来越多的量子计算机设备模型变得商业化，我们能否去真正的辨别所买的量子仪器里的黑箱子是在运行真正的量子程序，还是仅仅在运行一些经典电脑的模拟程序？我们真的能相信贴在仪器表面的“量子XX”标签吗？”

这个问题不是一个胡乱的假设。科学家们在过去的几年里在量子计算领域取得了长足的进步，完成了从“我们认为量子计算可行”的阶段到“可创造出真正的量子计算机”的阶段的巨型转变。虽然目前还没有量子计算机能够比您正在看本文而使用的电子设备更优化，但是这一天终究会来临，而且就在不远的将来。

为了做好准备，Buscemi教授和Denis Rosset以及来自台湾成功大学的研究者梁永诚，最近概述了一系列只有量子存储的计算机才可能通过，并且任何的经典冒名顶替的设备都将会失败的测试。这项新研究已在美国物理学会期刊Physical Review X上已发表。

经典计算机用二进制比特来（Bit）存储信息，而且一个经典比特只可能存在0或者1这两个状态。量子计算用量子比特（Qubit）来存储信息。每一个量子比特可以存储0或者1，以及0和1同时存在的“超级状态”（叠加态），也就是说物理上存在这样的状态，可以同时表示0和1状态。除此之外还有更强的，量子比特间可以实现“量子纠缠”。这意味着处于纠缠状态的两个量子比特即使被长距离分开，其中一个量子比特的状态可以取决于另一个量子比特的状态，这是用经典理论没有办法来解释的。

       这些惊奇的量子现象给量子计算机提供了强劲的力量。尽管量子计算机永远也不会取代经典计算机，但是基于量子比特的量子计算机在某些特定的领域却能远超越经典的计算机 。正如Buscemi所说：“我们很清楚，虽然量子计算机不会全部取代目前正在使用的，至少对我们人类来说是最实用的经典计算机，但是量子计算机能帮助经典计算机解决一些具体实际与我们生活息息相关的诸多难题。”

如果分解大质数和模拟原子的行为听起来并不像是与我们息息相关的问题，那么请你考虑一下：量子计算机可以破坏保护您在线金融交易的加密系统。因为分解大质数的超级难度是许多顶尖密码系统的基础；这也正是大型公司和政府在这一领域投入巨资的原因之一。另一方面，量子计算可以提供基于量子纠缠的牢不可破的加密系统的优势。

至于量子计算可模拟原子之间的相互作用行为，这件事情变得更加令人兴奋。因为经典计算机无法非常详细地模拟化学分子间相互作用，因为它们之间的相互作用太复杂了。然而量子计算却可实现，这种模拟的可行性可以对疾病的原因的探寻以及预防和治疗方法上的研究提供巨大的见解。它可以帮助我们设计出适合特定应用的新药物和材料。有了量子计算，我们可以更全面地了解这些相互作用，各种各样的大门也随之打开。

在我们被量子计算的各种可能性所迷惑之前，先让我们回到手头上的问题来， 如何区分真正的量子计算机和各种冒名顶替的“冒牌货”？

       （图片来源：周文彬）

Francesco Buscemi向他的学生Zhou解释量子计算的“冒名顶替者”

任何计算机，无论是量子计算机还是经典计算机，都必须能够输入，存储，处理和输出信息。量子计算机能力的关键在于存储信息的量子比特的量子特性。但这也是冒名顶替者可以潜入迷惑你的地方。经典计算机可以接收量子输入，测量它们，经典地存储测量值，处理存储的信息和输出信息。这看起来很像量子设备，但测量量子输入会打破它与其他量子比特的纠缠关系。换句话说，它破坏了你输入的量子性质，并且随之而来的是破坏了量子优势。

区分真正的量子计算机和冒名顶替者是一件棘手的事情。量子计算机有几种包括基于电子，量子点，光子和其他物质的量子比特的制造方法。很明显，未来将没有一台“标准”的量子计算机，Buscemi解释说，“简而言之，量子计算的前景正在演变成为极其丰富多样的“花园”。不会存在一台机器使其在任何特定任务中胜过其他机器。我们面临的挑战是如何控制和保护这样一个“美丽的花园“，防止它变成一个”蛮荒的草丛。”

这也是这项新研究的动力，是为了去保护“花园”的完整性，防止居心不良者使之变成一个”蛮荒的草丛”。

第一步要做的事是开发一系列量子基准，让其去验证量子性确实存在。因此Buscemi团队表明，如果使用某种植根于统计决策理论的方法，那么所有的真正的量子设备都能通过这些测试，相反任何经典计算机等“冒牌货”都会无条件无法通过测试。这些测试在实验室也是可行的。Buscemi还强调说，“但是我们不能忽略经典计算机在这些测试中的重要作用，而且经典计算机在这些测试中起了非常大的作用，当然，唯一有趣的点是，仅仅单靠经典计算机是无法通过测试的。”

虽然量子计算机目前研制状况，还不足以让供应商们在他们的设备上直接贴出“量子XX”的标签，但是我们正一步步走向“量子霸权”的世界，“量子霸权”只是一个类似于好莱坞大片式的名字噱头，但其表达的意思是在某些特定问题上量子计算机决定性优于经典计算机。

与此同时，是否有人能够创建一个可以包罗万象的测试，去识别淘宝上所列产品中的仿冒品呢？有趣再继续......

某宝上搜索的量子产品，迷惑性极大。

某度上搜索“量子”，排名在前的量子产品。量子产领域鱼龙混杂，以此推理，量子计算的黑盒子是不是也可能存在类似的情况，请君思考。

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参考：

［1］https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.8.021033

［2］https://www.physicscentral.com/buzz/blog/index.cfm?postid=1017636117752485060

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