小小量子何以称霸

最近中央领导层集体学习时，强调要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。

而这已经不是量子科技概念首次走入人们的视野了，在一年前的今天有庆量子霸权相关的新闻就为人们所津津乐道。2019年10月谷歌科学家在《自然》杂志创刊150周年之际，发表了封面文章《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》（https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5），文中谷歌宣称他们研制的53位量子比特计算机，仅仅花了100秒就跑完了传统超级计算机需要1万年才能完成的计算任务。

随后不少美国的重量级人物都宣称，谷歌的成就已经使美国实际拥有了量子霸权，其成就堪与莱特兄弟在1903年的飞机首秀相媲美。而这样的一波宣传攻势，也让量子霸权这个偏冷门的概念，瞬间完成了全民级的传播。

作为一名量子物理的爱好者，笔者认为在量子科技方面目前应该是爆发前的阶段，不过需要突破的技术难点还有很多，尤其是与我们息息相关的量子计算领域具体突破的时间还很难预测，接下来笔者就和大家具体聊一下有关量子计算与量子霸权的历史、现状与未来展望。

量子缘起-新世纪的曼哈顿计划

“借得雄风成亿兆，何惧万里一征程。”在上世纪中叶，爱因斯坦、波尔、奥本海默等顶级科学家共同加入了由美国主导的“曼哈顿”计划。提起曼哈顿计划可能有一些读者没有耳闻，不过由曼哈顿计划孕育出的原子弹和计算机，可能就就无人不知，无人不晓了。

量子计算则是要把原子弹用到的量子力学与计算技术结合起来，从而形成更为颠覆式的科技成果。说来也巧，量子计算这一概念也是由“曼哈顿”计划的成员之一，诺奖得主理查德·费曼在1982年时首先提出的。

在费曼提出量子计算的构想之后的1985年，大卫·杜斯提出了量子图灵机模型，不过业界在深入研究之后普遍认为量子计算的实用性存在问题，而且当时的量子算法不能在通用计算领域取得良好效果，因此量子计算这一课题一度被搁置起来，直到20多年后的2007年，由加拿大D-Wave系统公司研制的16位量子比特的超导量子计算机成功发布，才让人们意识到原来量子计算可能离我们并不远。

我们知道曼哈顿计划所产生的核武器对现实世界的安全体系产生了巨大影响，而在强大的算力加持下量子计算同样会对现有数字世界安全体系产生颠覆，因此美国才会将量子科技称为21世纪的“曼哈顿计划”。

在传统的计算机体系内计算单元与算力是呈线性增加关系的，也就是如果我的计算机内已经有了100颗CPU这时再增加一颗CPU，整体算力也就只能增加1%而已。而量子计算体系当中相比传统计算机，除了与或非三个精典的逻辑门，还增加了Hadamard Gate、CNOT Gate等操作量子进入叠加态及纠缠态的单元门，这样独特的性质使量子计算机每增加一个计算单元，整体计算能力翻倍增长。量子霸权就是量子计算机能够解决经典计算机根本无法解决的问题。从计算复杂性理论的角度来说，这通常意味着提供一个超越已知或可能的经典算法的指数级加速。

通俗的讲量子计算机随着计算单元的增多其算力增长是指数级的，而传统计算机算力增长则随计算单元增长呈线性增长。而随着计算单元不断增多，量子计算的算力将远胜于同等成本下传统计算机。

量子叠加-量子算法，安全体系的破壁者

人类一思考，上帝就发笑。在目前通用型计算机体系中，与或非三个基本逻辑门要实现的任务就是完成加法计算，所有计算任务都是以加法为基础的，减法其实是加负数，简洁是连续的加法，比较大小是判断减法结果的正负符号，目前计算机主要性能指标主频，也可以理解成计算机一秒钟内可以做的加法运算次数。本质上讲目前传统计算机的算法就是把一个计算任务转换、分解成为加减、比较、跳转等基本操作的方法。

这里需要指出的是与传统计算机相比，量子计算在加法运算方面并无任何过人之处，将Hadamard Gate、CNOT Gate这些量子计算机特有的逻辑门加入到算法当中，才能发挥量子计算的霸权优势，而这些逻辑中门只有某些专门的任务才用得到。针对特定任务设计量子算法，其难度是非常高的，因此在量子计算机模型提出后的很长一段时间量子计算都无人问津。不过随着量子因式分解算法SHOR的横空出世，量子计算的冷遇期彻底结束了。

目前整个互联网都广泛应用着非对称密钥体，非对称体系可以建立一对公钥和私钥，用公开的公钥对数据进行加密，只有用与公钥对应的私钥才能对数据解密，从而保证数据传输过程中不被泄漏与篡改。从区块链上的投票签名机制到网银、手机银行的数据传输，非对称密钥体系可谓无处不在。而非对称安全体系的核心基础RSA算法，其基本出发点就是认为对大素数的乘积进行因数分解，在计算上不可能实现，不过SHOR算法的出现告诉我们这种不可能只出现在传统计算模型之中，在量子世界一切皆有可能。

SHOR算法的精妙之处在于将因式分解问题转化成为求解周期，而求周期问题又被转化成为傅里叶变换的问题，而求傅里叶变换恰恰是量子计算的擅长。我们知道傅里叶变换是将函数由时域映射到频率域的过程，而频率就是周期的倒数，所以周期问题可以通过傅里叶变换找出答案，傅里叶变换是可以用到量子计算特有Hadamard Gate进行加速的，一个最小化的快速傅里叶变换量子电路结构如下图，供读者参考。当然如果有读者对于量子算法的设计特别感兴趣，可以看一下我的博客《用Python感受量子霸权》（https://beyondma.blog.csdn.net/article/details/102765692），不过这部分内容过于烧脑，笔者并不建议一般量子爱好者对此进行深入研究。

目前业界之所以对于量子计算给予高度重视，共根本逻辑是SHOR算法能够攻破rsa算法，而rsa算法又是整个互联网信息安全的基石，所以掌握了量子计算机就等于破解了整个信息安全身份认证体系，从而实现霸权。可以说如果没有SHOR算法的提出，那么也就没有量子霸权的概念了。

量子纠缠-量子霸权前路漫漫

正如上文所讲传统通用计算机是基于加法运算构建的，传统计算机设计人员只需要验证运算结果的奇偶性，就能确认计算结果的是否正确，这也是我们日常所说的奇偶校验位机制，这样的机制很容易滤除不正确的结果，避免错误的累积。

但量子单元间的关系是相干态、叠加态，根本没有传统计算机中的奇偶验证关系，而且量子过程同其它所有的过程一样存在噪音。从量子比特中的热量或是量子过程产生的随机波动，都可能使量子比特的状态翻转或随机化，导致计算失败。因此如何进行量子纠错，确保每一步结果的正确性，才是实现量子霸权的关键。

根据谷歌的论文结果来看，其量子计算机Sycamore的保真度约有0.2%，而SHOR量子算法要求的计算结果正确率不能低于99.3%，因此我们可以说目前世界上最强的量子计算机与破解rsa密钥体系的之间，还有很长一段距离。

在量子纠错方面我国的确取得了一定成就，由清华大学孙麓岩研究组、段路明研究组与中国科学技术大学邹长铃研究组合作，在超导量子系统中实现了微波光子二项式量子纠错码，首次同时实现逻辑量子比特的量子纠错和通用量子门操控。该论文《Quantum error correction and universal gate set operation on a binomial bosonic logical qubit》发表在《Nature Physics》杂志上。不过以笔者掌握到的情况来看，在量子纠错方面人类取得突破的时间点依旧难以预测。

最近我国高层已经认识到量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。”据此笔者判断我们在量子科技的策略就是尽量主导技术的突破，即使不能突破至少也要跟上形势，不能在量子科技方面掉队。

预期和现实总在上下交替的舞蹈中螺旋上升。过去两年硬件的进展为量子计算乃至量子科技迎来了一大波的投资与关注。未来将主要以量子基础技术、实用性的发展为突破口。虽然不一定为大众津津乐道，但将助推量子计算未来的又一个高潮。