本文来自微信公众号:金捷幡(ID:jin-jiefan),作者:金捷幡,题图来自:视觉中国


《达芬奇密码》和《天使与魔鬼》里的主角兰登教授(汤姆·汉克斯饰),是丹布朗一套系列书的核心人物。这套书最新的一本叫《本源》(Origin)


在《本源》一开始,千亿富翁埃德蒙宣布自己的科学发现,将使三大宗教土崩瓦解。而书中和兰登教授搭档的主角,是名叫E-Wave的量子计算机。


在这本书中,嵌入了特斯拉汽车的广告。而E-Wave大概率是加拿大公司D-Wave的广告。


2011年,D-Wave成为世界上最早商用量子计算机的公司。直到今天,D-Wave在实用量子计算领域仍一马当先。


一、科研投入


量子大概是科研界吹牛的重灾区。但更神奇的是,有时很难说清楚他们是在吹牛还是说谎。


各种媒体都很喜欢报道,谁霸权了谁又超越了霸权,某某量子xxx能一下子算出来传统计算机几亿年都算不出来的题,互联网危在旦夕。


但我觉得,很多记者并不知道自己在说什么。


也许,谁能拿到经费才是关键。


关于研发经费来自政府还是私营公司,倒是个有趣的事。


据Quantum Insider/光子盒统计,中国关于量子的财政拨款(100亿)几乎等同世界其它国家的总和。而中国的量子科技公司数量只有15家(不含BATH),不到欧美的5%。


排除政府投入,下图是《自然》杂志上关于私营公司投资量子技术的分布图,虽然数据稍微有点旧,但可以看出中外差别还挺大的。



二、量子科技的分类


量子科技的应用主要有量子计算和非量子计算两大类。我这样分类,估计你们也挑不出毛病。


欧美公司研发普遍集中在量子计算,而中国以及整个东亚更喜欢量子通信。


量子通信太神奇了,我也不懂,不是本文重点。反正他们说巨有用,估计效果至少比肩莲花清瘟吧。


《自然》杂志:中国的量子专利集中在量子通信(黄色)和其它(蓝色),量子计算(深橙色)并不算多
《自然》杂志:中国的量子专利集中在量子通信(黄色)和其它(蓝色),量子计算(深橙色)并不算多


关于量子计算的研究呢,虽然超级复杂,但仍可简单分为硬件和软件。


其中硬件需要很多实验物理学家和尖端工程师,还有很多很多贵重的高级仪器,门槛非常高。


量子计算的软件,也灰常灰常不一样,它需要很好的数学家和平庸的程序员。因为量子计算中的想法和算法是关键,经典计算机那套大多用不上。


接下来,我们开始展开少量技术内容。


三、量子算法


用来破解互联网公钥加密(RSA或ECC)的算法(分解质因数),叫作Shor算法。它早已被Mr. Shor发表出来,但过了近30年仍没有能有效跑它的机器。


目前量子软件方面的研究大大超前于硬件,研究人员大多只能在模拟器上玩。


因为量子算法对目前非对称加密潜在的破解风险,业界这些年一直在研究量子计算机难以破解的加密算法(Post-Quantum Crypto)


美国NIST(标准局)经过两轮筛选,选中了NTRU等7个主要算法和8个候补算法。据说在今年,会最终公布哪种算法胜出。八卦一下,第二轮淘汰了“三只熊”和“特斯拉”等多种算法,“括约肌”进入了第三轮。


据NIST说,对称算法如AES等暂不用考虑被量子破解,科普中吹嘘的Grover算法其实威胁并不大。


四、超导量子


那么,什么样的机器可以运行Shor算法呢?


量子计算的实现路径很多,目前在通用计算上走得最远的是超导和离子阱。


IBM和谷歌领头的超导量子计算,应该是最烧钱的方式。因为超导需要用一个大冰箱:世界上最贵的冰箱,用稀释制冷等复杂技术把温度搞到接近绝对零度(-273摄氏度)


量子纠缠太容易被外界干扰了,即使在万物萧杀的绝对零度附近,超导量子比特的存活时间,只有微秒量级(百万分之几秒)。任何噪声情况下的计算都可能产生错误,科学家经常要用5个量子比特(qubit)来校正1个,这样宝贵的qubit需要更多。


IBM去年发布了业界最多的127个超导 qubits的“鹰”量子处理器,按其“吹牛”新闻稿其代表的量子态可以超过75亿人身上所有的原子数。但实际上其中大多数qubits是用来作校正的,并不能完全用来模拟。


按的IBM Roadmap,每年qubits数翻一番,再过10来年可以达到可以运算Shor的百万qubits,这就是传说中的量子摩尔定律。


超导环像艺术品一样(Credit: IBM)<br>
超导环像艺术品一样(Credit: IBM)


“100个qubits的冰箱有一个房间那么大,那100万qubits需要多大的冰箱呢?”一个傻瓜问道。


砖家笑笑说:“你知道半导体最初多大吗?”


五、离子陷阱和天使粒子


通用量子计算在技术实现上有两大瓶颈,一个是刚才提到过的稳定性(噪声和纠错),另外一个是可扩展性(100qubits到100万)


为了挑战这两大障碍,离子肼是另外一个路径的尝试。Honeywell和IonQ是离子肼的领头羊。


离子肼的技术并不算新,很多原子钟用的就是这个技术,其量子的稳定性比超导要好得多。离子肼的另一个小优势是工作温度可以超导稍微高一点点,这能省很多钱。


离子肼很好玩,用激光把镱原子(Yb)的电子打掉变成离子(别问的我怎么做的:-),带正电的离子可以用四面八方的正电势将其困在一个3D的空间内,这就是所谓“陷阱”。


离子肼机的画风十分硬朗 Credit: Honeywell<br>
离子肼机的画风十分硬朗 Credit: Honeywell


困在同一个区域陷阱里的离子易于关联,保真度非常高,但缺点是计算速度比超导慢得多,并需要一个超级真空的环境。其量子状态的测量也依赖于极高精度的谐振激光。


总体来看,离子肼也绝非省钱的方案,工程难度非常大,不是大公司玩不起。


在通用量子计算方案中,英特尔的硅基量子和微软“拓扑粒子”进度更慢,似乎仍是下一代的技术。


拓扑粒子学名叫马约拉纳费米子,用它做量子比特能活100秒,抗干扰性极强,保真度比超导量子对多了4个9,简直像天使一样完美。


可惜,这种天使粒子一直在和人类藏猫猫。


六、鬼才D-Wave


那么,我们在引言中说的D-Wave是干啥的?他们为什么能比其它家早卖10多年?


因为D-Wave做的不是通用量子计算机:它不能执行Shor算法,所以不能用来破解加密。


但是,D-Wave的想法绝对来自于鬼才,在短短篇幅内讲明白它的原理挑战极大。


D-Wave完全抛弃了用量子比特组建运算门的思路,也不用诡异的量子纠缠,它认为大自然和宇宙法则比谁都聪明。


物理学的法则就是自动寻找最小能量状态:水会从雪山一直流到大海,热的东西一定会凉下来。


D-Wave把问题分解成常数和变量,赋值给量子比特,然后量子们会自动找到最优解自然叠加展现出来,因为最优解就是尽快达到能量最小的状态。


毕竟宇宙本身就是完全按量子法则运行的。


在《本源》里E-Wave告诉我们:宇宙喜欢让人类通过仇恨和战争自相残杀,以更快地消耗能量。


六、旁门左道


D-Wave的想法太过诡异,所以量子江湖中的武当少林开始都认为它的旁门左道:D-Wave里面含各种门的量子电路都没有,根本不是量子计算。


但是在极多变量的场景下选择最优的实战中,D-Wave展示了对经典计算机的碾压,并成功形成了围绕自己机器的软件和算法生态系统。


正好在此提一下,网上关于量子的科普是个误导重灾区,量子计算本身并不是他们说的大规模并行计算。实际上,量子比特并不能同时出现多种状态或者存储多个状态,它的状态更应该理解成是一个概率,而多个量子比特不同状态组合的概率是可以叠加的。


看看薛定谔方程,这些叠加是波的叠加,最后的概率是一个结果,不是n个结果。


不同变量的波振幅不同。量子比特可以代表的无数种状态,绝非科普里说的多了几种0和1的组合,因为每个波函数振幅不同,概率可以是21.526253%,也可以是0.000312%(举例)。这样,量子比特可以更好地模拟我们的世界,而那个解(结果)可以通过更适合量子的算法(波的干涉),更快地收敛出来。


现在你们理解Wave(波)的意思了吧?D-Wave的机器被叫做“量子退火机”。


虽然D-Wave能用的算法非常有限,但业界逐步开始尝试用它来解决特定的产业问题,比如供应链物流路径选择、股票组合的选择和材料或药物分子组成选择等等,而这些正是各家千篇一律宣传量子计算的要点。


七、光量子


D-Wave在一定程度上的成功,也启发了一些相似理念的机器,其中最有名的代表是“相干伊辛机”(CIM)。CIM有点像用光做的神经网络,通过光脉冲耦合光子,用FPGA计算其相干退化的结果。


光子是一种完美的量子,具有常温下的稳定性,而且已经有了很多成熟的光学器件可以实现偏振调制、叠加和测量等。


近两年,光子作为量子计算的候选方案被突然加速。很多公司拿到了风投,其中的代表是加州的PsiQuantum和多伦多的Xanadu,我国也一下子多出好几家光量子公司。


光量子计算似乎很适合成为小型初创公司的赛道,因为没有超低温和超短存活时间等那些需要巨额投入的环节,而且光半导体器件的制作也相对成熟。


不过因为用光的低门槛,各种机构经常夸大自己的进展:有些只是做简单“采样”和“测量”,有些故意不说明自己是做CIM还是做通用量子计算,这让局外人非常困惑。


甚至有些直接把光学实验叫量子实验,这种宣传和量子减肥有异曲同工之妙,从法律上和物理学上都挑不出毛病来。


PsiQuantum和Xanadu都宣称,五年内实现100万qubits的机器。如果它们都是通用量子计算的话,IBM和Honeywell要哭死了。


我并没有说他们在说谎,这些光量子的PPT和论文看起来确实挺有道理的。但工程实现并不是纯科学,现在并没有什么好办法来判断哪些吹的牛最终有可能成真。


八、究竟哪家强?


几家大厂推出量子体积的概念来衡量量子计算机的算力,但这只是一个并不成熟的简单加权打分,其实并不能公正评价各家不同架构机器。


几乎所有公司或机构都在夸大自己的成果,但又很难找到细节。绝大多数机器并不让你玩,藏在各种云后面的量子计算机很多只是模拟器。


也许在很远的未来,会有Awesome Wang那样的第三方评测,测试每家量子计算机跑每种算法的速度。


但眼下没有谁能买得起做开箱小视频,所以估计多是厂家赞助的小软文。


倒是所有厂商都承认,量子计算绝对不会取代硅基经典计算机,它只会被用于特定用途:那些量子算法有绝对优势(supremacy)的领域。


量子圈子互相揭短的事好像并不多,毕竟在现阶段量子计算仍是一个极少数人参与的科研领域。德高望重的人互相也会留面子,一起炒热度把饼做大更符合团体利益。


大家都在说:硅基摩尔定律走到头,刚好量子计算能接上。


免责声明:本文发表于愚人节。


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