量子計算機何時會發(fā)展成熟 量子計算機未來前景分析

量子計算機何時會發(fā)展成熟，并具有實用商業(yè)價值？最近，國外的一些研究指出，答案并不樂觀。這給當前許多炒作量子計算的宣傳潑了冷水。

11月，IEEE Spectrum上發(fā)表了一篇由專家撰寫的題為“The Case Against Quantum Computing”的文章（見文末鏈接1），作者（法國著名物理學家）Mikhail Dyakonov稱，在可預見的未來，實用的通用量子計算機不會被制造出來。

不久前，由美國國家科學院、工程院和醫(yī)學院組建的一個專家委員會向公眾發(fā)布了長達205頁的題為“Quantum Computing: Progress and Prospects”（量子計算：進展和前景）報告（見文末鏈接2）。該委員會明確表示，在未來十年內，制造出具有實用能力的量子計算機的可能性很微小。

“在接下來的十年里，人們可能很難建造一臺能夠危及RSA 2048或類似的離散對數(shù)公鑰密碼系統(tǒng)的量子計算機(Highly Unexpected)。”

該委員會由13名量子計算專家組成，其中包括著加州大學圣巴巴拉分校的John Martinis，他領導著谷歌量子方面的研究工作；芝加哥大學的David Awschalom，他曾在UCSB領導自旋電子學和量子計算中心；以及加州大學伯克利分校量子信息與計算中心共同主管Umesh Vazirani。

值得注意的是，該報告談到密碼學部分只談PQC（后量子密碼術），一字未提QKD（量子密鑰分發(fā)，或“量子通信”）。

以下是對該報告總結部分的翻譯：

量子力學(Quantum Mechanics)，是物理學科專業(yè)領域的一個分支，專門研究微小粒子所具有的性質，它為新的計算模式提供了基礎。量子計算(Quantum Computing)是在20世紀80年代首次被提出來，借助微小的“量子”行為改進計算模型。20世界90年代，隨著肖爾算法的引入，人們對這一領域的興趣日益濃厚，如果在量子計算機上實現(xiàn)該算法，重要密碼的破解速度將以指數(shù)的形式加快，但是這個將會對政府與民用通信和數(shù)據(jù)儲存的密碼系統(tǒng)產(chǎn)生威脅。事實上，量子計算機是唯一已知的超過現(xiàn)代計算機提供指數(shù)級計算速度的計算模型。

在20世紀90年代，這些結論聽起來令人很興奮，但這些結論都是理論上的，沒人知道如何用量子系統(tǒng)建造計算機。近25年后的今天，我們已經(jīng)在控制量子比特(Qubits)方面取得重大的進展，許多研究小組已經(jīng)證明了小型原理驗證量子計算機可行。這項工作使量子計算機領域重獲生機，使得大量的私人投資進入該領域。

為什么建造和使用量子計算機具有挑戰(zhàn)性

經(jīng)典計算機使用“位”來表示操作值，而量子計算機使用“量子位”。“位”只能表示0或1，而“量子位”不僅可以表示0或1，還可以表示這兩者的某種組合（疊加狀態(tài)）。在經(jīng)典計算機中計算狀態(tài)是由二進制值表示，在相同的情況下，具有相同數(shù)量的量子比特的量子計算機可以跨越所有可能的計算狀態(tài)，在更大的指數(shù)空間中進行計算。實現(xiàn)這個空間需要所有的量子位都是內在相互聯(lián)系的（糾纏），與外部環(huán)境有很好的隔離，并且可以得到精確的控制。

過去20多年的創(chuàng)新進展使得科研人員能夠建立這一物理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以精確地控制和隔離量子。到2018年，大多數(shù)量子計算機開始使用由超導電路產(chǎn)生的捕獲離子和人工“原子”這兩種技術，目前還在探索其他的技術，用于實現(xiàn)量子比特?？紤]到該領域的快速發(fā)展，我們不能僅僅依靠一種技術。

即使有人能夠制造出非常高質量的量子比特，但是利用這些建造量子計算機也會有一系列新的挑戰(zhàn)。它們的使用與經(jīng)典計算機不同，需要新的算法、軟件、控制技術和硬件。

技術風險

量子比特不能從本質上隔離噪聲

經(jīng)典計算機和量子計算機的主要區(qū)別之一是，它們如何處理系統(tǒng)中微小的干擾噪聲。因為經(jīng)典的“位”不是0就是1，即使由于噪聲稍微偏離，對信號的操作處理也很容易將噪聲消除。實際上，今天用于控制經(jīng)典計算機的操作位有很大的噪聲邊際，但是在經(jīng)典計算機中可以抑制輸入端的噪聲污染，產(chǎn)生干凈無噪聲的輸出。因為量子位可以是0和1的任意組合，所以量子位不能輕易地隔離物理電路中出現(xiàn)的噪聲。因此，創(chuàng)建量子位操作時的小錯誤或者物理系統(tǒng)中的雜散信號會導致量子計算錯誤。所以對于操作量子位的系統(tǒng)來說，最重要的設計參數(shù)之一是其錯誤率，低錯誤率一直很難實現(xiàn)。即使在2018年，已經(jīng)出現(xiàn)5個或者更多個量子位系統(tǒng)，其錯誤率也超過幾個百分點。在較小的系統(tǒng)中一般可以有效的控制錯誤率，這種改進的思想需要轉移到更大的量子位系統(tǒng)中，這樣才能成功的進行量子計算。

無誤差的量子計算需要進行量子誤差校正(Quantum Error Correction)

雖然物理量子比特的操作對噪聲很敏感，但是可以在量子計算機中運行量子誤差校正算法來模擬無噪聲或者完全校正的量子計算。如果沒有量子誤差校正，像肖爾算法這樣復雜的程序就不太可能在量子計算機上準確運行。但是執(zhí)行量子誤差校正算法需要更多的量子比特，使得計算機的開銷增大，這雖然對于無錯誤的量子計算至關重要，但是因為開銷過大，短時間內無法適用。并且量子計算機在短期內還是可能出現(xiàn)計算錯誤。上面這種機器被稱為中尺度噪聲量子(NISQ)計算機。

大數(shù)據(jù)無法有效地加載到量子計算中

雖然量子計算機可以使用較少的量子位表示更大量的數(shù)據(jù)，但是目前還沒有一種方法可以將大量的數(shù)據(jù)轉化為量子態(tài)。對于大量數(shù)據(jù)輸入的問題，創(chuàng)建輸入量子態(tài)所需要的時間會占據(jù)大部分計算時間，使量子計算的優(yōu)勢大大降低。

量子算法的設計具有挑戰(zhàn)性

測量量子計算機的狀態(tài)需將大量的量子態(tài)“折疊”成單個經(jīng)典結果，這意味著，從量子計算機中所能提取的數(shù)據(jù)量與從同樣大小的經(jīng)典計算機中提取的數(shù)據(jù)量相同。但未來想要發(fā)揮量子計算機的優(yōu)勢，量子算法必須使用獨特的量子特征（如糾纏現(xiàn)象），以獲得最終的經(jīng)典結果。因此，實現(xiàn)量子算法需要全新的設計原則。量子算法的開發(fā)是量子計算機實現(xiàn)的一個關鍵方面。

量子計算機需要新的軟件棧

與所有的計算機一樣，構建一個實用的設備要比創(chuàng)建這個硬件本身更加復雜。由于量子計算機程序不同于經(jīng)典計算機，需要進一步研究和開發(fā)軟件工具棧。由于軟件工具驅動硬件運行，所以軟件和硬件工具鏈的同步開發(fā)將縮短量子計算機的建成時間。實際上，使用利用早期的工具完成端到端的設計有助于發(fā)現(xiàn)隱藏的問題，可以推動設計取得全面的成功，這也是經(jīng)典計算機設計中所采用的一套手段。

量子計算機的中間狀態(tài)無法直接測量

調試量子硬件和軟件的方法至關重要。目前經(jīng)典計算機的調試方法依賴于內存和中間機器狀態(tài)的讀取。但這個在量子計算機中很難實現(xiàn)。量子狀態(tài)不能夠簡單的復制供以后的檢查，任何對量子態(tài)的測量都會被將其折疊成一組經(jīng)典“位”，導致計算停止。新的調試方法對于大型量子計算機的開發(fā)是必不可少的。

實現(xiàn)量子計算的時間表(Time Frames)

預測未來總是有風險的，但將我們感興趣的產(chǎn)品設備對外推廣時，我們對產(chǎn)品的設計不要跨越太多的代差。然而，建造一個量子計算機可以用來運行肖爾算法破解1024位RSA的加密信息，那么這個計算機需要超過現(xiàn)在計算機五個數(shù)量級大，并且需要錯誤率比當前計算機低兩個數(shù)量級，同時需要建立軟件開發(fā)環(huán)境來支持這臺機器。

對于建造大型無計算錯誤的量子計算機，由于很多技術短板的存在，我們無法預測其何時建成的時間表。盡管在某些領域我們取得了進展，但不能保證所有的挑戰(zhàn)都被克服。彌補了一個短板可能會暴露下一個意想不到的問題，所以需要發(fā)明新技術或者在基礎科學研究取得新成果，從而改變我們對量子世界的理解。

委員會沒有對具體的時間表進行預測，而是確定了影響技術創(chuàng)新速度的因素，并提出兩個衡量標準和幾個里程碑，以監(jiān)測該領域的進展。

考慮到量子計算機獨特的計算方式和實現(xiàn)它所面臨的一系列挑戰(zhàn)，它不太可能成為經(jīng)典計算機的直接替代品。事實上，它們需要經(jīng)典計算機來控制它們進行操作，并實現(xiàn)量子誤差計算修正。因此，它們目前被設計成與經(jīng)典處理器互補的特殊設備，類似于協(xié)同處理器和加速器。

在很多領域還有許多未知的問題和挑戰(zhàn)，每個專業(yè)領域的發(fā)展速度是由該領域對新方法的使用程度和對問題的見解程度決定的。對于那些研究成果保密的領域，其發(fā)展速度要慢得多。幸運的是，許多量子計算機研究人員迄今為止對于技術的分享持開放態(tài)度，保持這種態(tài)度會使該領域不斷推進。

重點9：一個開放的生態(tài)系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)思想交叉融合，這將加速技術的快速進步。

同樣很明顯，一項技術的進步取決于對該技術的投入人力和資金的多少。雖然很多人認為一個系統(tǒng)的發(fā)展受到摩爾定律(Moore’s Law)的管制，但是需要明白，摩爾定律是一個良性循環(huán)，技術的進步推動經(jīng)濟的收入，從而使資金持續(xù)投資在研發(fā)、人才上面，來幫助技術創(chuàng)新。像硅谷一樣，如果想要量子研究的摩爾定律式的持續(xù)指數(shù)增長，就需要指數(shù)級的投資，而且需要維持這種投資良性循環(huán)。在量子計算機研發(fā)中，較小的機器取得商業(yè)上的成功，會使整個領域投資增加，而在沒有產(chǎn)生商業(yè)回報的中間研發(fā)環(huán)節(jié)，就需要政府增加資金支持，因為研發(fā)時，艱難的中間環(huán)節(jié)是一個痛苦的過程。

考慮到量子錯誤校正的開銷，近期的機器幾乎肯定是NISQ計算機。雖然有許多應用程序已經(jīng)用于大型錯誤校正量子計算機，但目前還不存在NISQ計算機的應用程序。為NISQ計算機創(chuàng)建應用程序是一個較新的研究領域，需要研究新型量子算法。在本世紀前20年，開發(fā)商業(yè)NISQ計算機應用程序對于啟動良性循環(huán)的投資至關重要。

重點3：研究和開發(fā)NISQ計算機的實際商業(yè)應用是該領域迫切需要解決的問題，該項工作會對量子計算機的發(fā)展及其市場規(guī)模產(chǎn)生深遠的影響。

量子計算機可分三大類：“模擬量子計算機”，直接操作量子位之間的相互作用，而不把它們的行為分解成基本的門操作，包括量子退火器、絕熱量子計算機和直接量子模擬器；“數(shù)字NISQ計算機”使用物理量子位上的基本門操作，執(zhí)行一種特殊的算法；但這兩種機器都存在噪聲，這個缺點將限制這些計算機解決復雜的問題。“完全錯誤修正量子計算機”是基于門的量子計算機的一個版本，通過部署量子修正程序，使有噪聲的量子位模擬穩(wěn)定的邏輯量子位，以便計算機在任何計算中都能可靠的工作。

里程碑

量子計算機的第一個里程碑是演示了簡單的原理驗證模擬和數(shù)字驗證。小型NISQ計算機于2017年上市，但其中還是有數(shù)十個量子位的錯誤，無法修正。量子退火研究大約在十年前就開始了，使用的量子位元是一種相干時間短、伸縮快的技術。2017年試驗量子退火器已經(jīng)發(fā)展到擁有大約2000量子位元的機器。從這個起點開始，通過實現(xiàn)幾個可能里程碑來確定量子計算機的進展。證明“量子霸權”就是里程碑之一，即完成一項在經(jīng)典計算機上難以完成的任務，暫不討論這項任務是否具有實用價值。雖然有幾個團隊一直在努力實現(xiàn)這一目標，但到2018年，這一目標還沒有得到實現(xiàn)。另一個重要的里程碑就是創(chuàng)造一個商業(yè)上有用的量子計算機，這將需要一個量子計算機比任何經(jīng)典計算機更有效地執(zhí)行至少一個實際任務。在理論上實現(xiàn)這一里程碑比實現(xiàn)“量子霸權”更困難，因為它所需的應用程序必須比現(xiàn)有的經(jīng)典方法更好、更有用。但實現(xiàn)“量子霸權”可能也很困難，尤其是對于模擬量子計算機。在“量子霸權”被證明之前，有可能會出現(xiàn)一個有用的應用。在量子計算機上部署量子錯誤校正程序以創(chuàng)建邏輯量子位，從而顯著的降低錯誤率是另一個重要里程碑，這也是創(chuàng)建完全錯誤校正機器的第一步。

指標

可以通過跟蹤定義量子處理器質量的關鍵屬性來監(jiān)測基于門的量子計算的進展情況：單個量子位和雙量子位操作的錯誤率、內量子位連通性以及單個硬件模塊中包含的量子位數(shù)量。

重點4：考慮到委員會掌握的信息，現(xiàn)在預測擴展量子計算機還為時過早。相反，可以通過監(jiān)控物理量子位在恒定平均門錯誤率下的縮放率來跟蹤進展，并通過監(jiān)控系統(tǒng)所表示的邏輯量子位的有效數(shù)量來長期的跟蹤進度。

跟蹤邏輯量子位的大小和縮放率可以更好評估未來的發(fā)展情況。

重點5：如果研究團體采用報告中明確約定，可以方便地在設備之間進行比較，并將其轉換成本報告中所提出的度量標準，那么該領域的進展情況更容易被追蹤。一組能夠在不同機器之間進行比較的基準測試程序有助于提高量子軟件的效率和增強底層量子硬件的體系結構。

參與者致力于建造和使用量子計算機

很明顯，世界各地都在努力開發(fā)量子計算機和其他量子技術。人們期望建立一個成功的質量控制體系，這個需要大量的、協(xié)調一致的研究工作，這些研究工作既涉及基礎科學，也涉及很多傳統(tǒng)學科。

重點8：美國在發(fā)展量子技術方面處于領先地位，而量子信息科學技術現(xiàn)在又是全球性的，一些非美國公司也大量投入資金研究。所以如果美國想要保持領導地位，需要要美國政府持續(xù)進行投資。

此外私營部門在美國量子計算科技研發(fā)系統(tǒng)中扮演著重要角色。

重點2：如果短期在量子計算機商業(yè)上不成功，政府的資助可以防止量子計算研究走向滑坡。

量子計算機和密碼學(Cryptography)

量子計算將對密碼學產(chǎn)生重大影響，密碼學依靠難以計算的問題來保護數(shù)據(jù)。但是肖爾算法在大型量子計算機上的運行會大大減少從非對稱密碼中提取私鑰所需的計算時間，而這種非對稱密碼是用來保護互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)儲存的重要手段。所以在量子計算機尚未建成之前就部署后量子密碼術(Post-quantum Cryptography)進行加密，具有很大的商業(yè)利益。在未來，公司和政府不想讓他們現(xiàn)在的私人通信內容被竊取，即使三十年以后。出于這個原因，有必要盡快向后量子密碼術過渡，特別是現(xiàn)在使用的Web技術都是十年前的技術。

重點1：考慮到量子計算機目前的發(fā)展速度，在接下來的十年里，人們可能很難建造一臺能夠危及RSA 2048或類似的離散對數(shù)公鑰密碼系統(tǒng)的量子計算機(Highly Unexpected)。

重點10：即使量子計算機破解現(xiàn)在的密碼技術要等到十年以后，但這種機器的存在使目前的密碼系統(tǒng)具有嚴重安全隱患。而且要過渡到一個新的安全協(xié)議需要足夠長的時間，并存在不確定性。提高開發(fā)力度、標準化措施和后量子密碼術的部署對于增加安全和保護私人信息非常重要。考慮到量子計算機對當前的協(xié)議構成巨大威脅，人們正在積極努力開發(fā)后量子密碼術——量子計算機無法破解的非對稱密碼。這些技術可能在2020年標準化。雖然肖爾算法破解密碼的能力是早期量子計算機研究的驅動力，但是加密算法一直在改進，這個會降低量子計算機破解密碼的能力。從長遠的角度看這個是會推動量子計算機的進步。

追求量子計算的風險和收益

在實用的量子計算機實現(xiàn)之前，量子計算仍然存在重大的技術障礙，而且也不能保證這些障礙是否能夠被克服。構建和使用量子計算機不僅需要設備工程，而且還需要將計算機科學、數(shù)學、物理、化學和材料學等一系列學科進行融合。克服這些障礙所做出的努力也會給我們帶來了好處，例如：量子計算機的研發(fā)過程改進了經(jīng)典算法，推動了物理學和計算機科學的進步。

重點6： 量子計算對于推動基礎性研究具有重要價值，這些研究將有助于人類對于未知世界的理解認識。與所有的基礎性研究一樣，這一領域的進展會帶來革命性的新知識和新應用。

創(chuàng)建一個大型的、錯誤校正的量子計算機所面臨的挑戰(zhàn)是重大的。成功的量子計算機需要對量子相干性進行前所未有的控制，通過改變現(xiàn)有的工具和技術，或者通過開發(fā)新的工具和技術，可能實現(xiàn)這種控制。同樣依賴量子相干控制的相關技術，在量子傳感和量子通信方面也可能取得的進展。

重點7：盡管大型量子計算機的可行性尚不確定，但開發(fā)實用的量子計算機的具有很大的好處，而且它們可能擴展到量子信息技術的其他短期應用，例如基于量子位的傳感技術。

除了量子計算潛在的社會益處之外，這項工作對國家的安全也有影響。擁有大型、實用的量子計算機可以打破當今的非對稱密碼系統(tǒng)。認識到這個風險，人們開始努力研究對量子密碼破解擁有強大抵抗能力的密碼系統(tǒng)，目前有幾個候選系統(tǒng)被認為是“量子安全”的。盡管政府和民用系統(tǒng)部署后量子密碼系統(tǒng)可以保證隨后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，但是在此之前被敵人截獲的傳統(tǒng)加密數(shù)據(jù)有被破解的風險，當然隨著量子計算機部署的推遲密文被破解的危害性會逐步減小。此外新的后量子密碼技術PQC的發(fā)展也會推動新的量子密碼破解技術的進步（New Quantum Cryptanalytic Technique)，與網(wǎng)絡安全技術一樣，后量子時代的安全性有賴于持續(xù)的科研投入。

但是國家安全問題超越了密碼學研究，更大的戰(zhàn)略問題在于未來的經(jīng)濟和技術領導地位。從歷史上看，經(jīng)典計算已經(jīng)對社會生產(chǎn)了革命性的影響。雖然量子計算的工業(yè)應用潛力還在探索之中，但很明顯，量子計算已經(jīng)超越當前計算的邊界，它可以在很多領域提高計算效率，所以支持美國政府建設強大的量子計算研究組織具有戰(zhàn)略價值。

結論

根據(jù)對迄今為止量子計算領域取得進展的公開資料進行評估，委員會認為，理論上可以建造一臺大型容錯的量子計算機。但是建造這樣一個系統(tǒng)并將其應用于解決實際任務并帶來收益具有很大的技術挑戰(zhàn)性。此外，未來對該領域的投資多少取決于近期的商用效果和美國及其他國家對技術的開放性，這些都會影響到實用的量子計算機完全投放市場的時間表。該領域的進展可以通過重點3中的指標進行追蹤。但無論何時或能否建成大型的、無計算差錯的量子計算機，我們對量子計算和量子技術的探索會擴展人類知識的邊界，這方面的努力可能也會改變我們對于宇宙的理解。