谷歌：我們用了200秒完成了超級(jí)計(jì)算機(jī)一萬年的計(jì)算試驗(yàn)!

IBM：別扯了!你測(cè)試的算法超級(jí)計(jì)算機(jī)只需要2.5天!

谷歌：……(- -!)

想必這幾天我們都看到了這樣的新聞，谷歌與IBM在在幾年前就已經(jīng)投入資金研發(fā)量子計(jì)算，但至今依然沒有大的進(jìn)展，量子計(jì)算為何如此難以突破，其難點(diǎn)又在哪里?這篇文章將簡(jiǎn)單帶你探秘量子計(jì)算的神秘之處。

什么是量子計(jì)算?量子計(jì)算的原理是什么?

普通計(jì)算機(jī)的調(diào)取指令使用的是二進(jìn)制ASCII碼，其原始口令為二進(jìn)制0和1來表達(dá)，我們所有的指令集都會(huì)換算成這兩個(gè)數(shù)字進(jìn)行操控，其最小單位為bit表示。指令集表示出來即為011011101001010011這種，是一種線性的信號(hào)流。

而量子比特的計(jì)算方式與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式并不相同，量子計(jì)算的存儲(chǔ)單位為晶體管，并非超大規(guī)模集成電路，所以在單位計(jì)算上最小單位是量子比特為單位，這些單位被嵌入以芯片中用于處理信息，在芯片上的晶體管數(shù)量越多，也就表明這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的處理能力越強(qiáng)。

一個(gè)量子比特可以同時(shí)表示0和1這兩個(gè)數(shù)字，而兩個(gè)量子比特則可以表示0、1、2、3四個(gè)數(shù)字，四個(gè)量子比特可以以此類推0、1、2……14、15這十六個(gè)數(shù)字，這個(gè)公式是按照2的N次方進(jìn)行累計(jì)。所以每增加一個(gè)比特量子，量子計(jì)算機(jī)的性能就會(huì)以驚人的指數(shù)級(jí)的方式進(jìn)行增長(zhǎng)。目前已知的最大量子結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)是谷歌的53個(gè)超導(dǎo)量子比特，也就是綜合計(jì)算了2的53次方的數(shù)據(jù)。

如何理解量子計(jì)算的處理速度?

這里我想暫時(shí)引用一個(gè)簡(jiǎn)單的加密數(shù)據(jù)模型，在傳統(tǒng)的加密解密當(dāng)中，存在著兩種不同的加密模型，即對(duì)稱密碼模式與非對(duì)稱密碼模式，對(duì)稱密碼模式非常好解釋，比如在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)使用的摩爾斯電碼，再比如特定代碼，只有加密者A與解密者B同時(shí)依照密碼表來進(jìn)行加密與解密，兩個(gè)人同為加密者，也可以同為解密者。不過這種對(duì)稱加密方式不適合量子計(jì)算，我們要挑戰(zhàn)更高難度的非對(duì)稱加密方式。

非對(duì)稱加密方式是加密者A設(shè)定密碼之后，將加密文件授權(quán)給解密者B，只有解密者B拿到加密者A的key才能順利打開文件，而在傳輸過程當(dāng)中，被偷竊者C捕獲，偷竊者C想要打開文件包，就必須通過暴力破解的方式對(duì)密碼的逐一字段進(jìn)行嘗試。這也是我們經(jīng)常遇到的非對(duì)稱密碼。

試想一下，如果你在不經(jīng)意間獲取到了一個(gè)RAR壓縮包，而這個(gè)壓縮包里面有重多不可告人的秘密時(shí)。你只有兩種方式能夠打開壓縮包，即，通過抓住加密者A進(jìn)行嚴(yán)刑拷打，讓他說出加密包key，而另一種則是通過字典的方式進(jìn)行秘密的暴利破解。而這種方式也是最復(fù)雜最要命的一種方式。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)密碼擁有以下幾個(gè)模式，英文大寫、英文小寫、數(shù)字、特殊字符，而變量集在于密碼的長(zhǎng)度N。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)密碼的通用長(zhǎng)度在6-12位之間，但不乏更長(zhǎng)的密碼存在。也就是說如果想要破解這個(gè)密碼，就需要通過字典嘗試999999的四次方，如果需要破解12位密碼的話則需要999999999999的四次方，如此巨大的運(yùn)算，需要進(jìn)行一個(gè)一個(gè)數(shù)字填充才行，破解難度巨大，且通常需要計(jì)算機(jī)24小時(shí)不關(guān)機(jī)的狀態(tài)下幾天幾個(gè)月幾年甚至十幾年才能破解出來，破解難度之大難以想象。

而量子計(jì)算的運(yùn)作原理不同，它不會(huì)進(jìn)行線性的密碼探測(cè)，而會(huì)像一個(gè)分身法師一樣，進(jìn)行分裂化的破解，即一個(gè)密碼區(qū)域字符有可能是0-9、A-Z、a-z以及特殊字符中的任意一個(gè)。在不觀測(cè)的狀態(tài)下，他們都是有可能的出現(xiàn)的正確密碼。而開始觀測(cè)之后，量子計(jì)算的運(yùn)算方式會(huì)同時(shí)在極短的時(shí)間內(nèi)釋放0-9、A-Z、a-z在內(nèi)的所有字符，并同時(shí)模擬在六位數(shù)字密碼上進(jìn)行同時(shí)匹配。匹配正確后，僅正確的密碼會(huì)出現(xiàn)，試錯(cuò)運(yùn)算會(huì)自動(dòng)消失。在同一設(shè)定條件下，有且只有一組密碼與之匹配。如果大家讀過量子物理，了解過量子糾纏中“薛定諤的貓”理論，此解釋會(huì)相對(duì)容易理解。

那么谷歌真的實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)了嗎?

其實(shí)從消息的角度，筆者覺得霸權(quán)兩個(gè)字是媒體過渡炒作的產(chǎn)物，量子計(jì)算雖然是具有革命性且能夠突破現(xiàn)有計(jì)算模式的，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒有符合霸權(quán)這個(gè)定義。首先它應(yīng)該是具有壟斷性的且不可挑戰(zhàn)的。但事實(shí)上，研發(fā)量子計(jì)算的企業(yè)可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止谷歌一家。

互聯(lián)網(wǎng)科技與全球頭部企業(yè)都有對(duì)于量子計(jì)算的相關(guān)研究，像空客、阿里巴巴、美國(guó)AT&T、百度、谷歌、IBM、英特爾、微軟等公司都成立了量子計(jì)算研究所，而中國(guó)的神威太湖之光與天河二號(hào)想必大家也是耳熟能詳?shù)摹Ｄ壳叭蚺琶谝坏氖敲绹?guó)橡樹嶺旗下的名為Summit超級(jí)量子計(jì)算機(jī)。性能突破200PFlops，神威太湖之光的兩倍性能，也是已知地表最強(qiáng)的計(jì)算設(shè)備。

但恰恰出現(xiàn)問題的是谷歌對(duì)媒體宣稱的實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，僅為理論構(gòu)思，并沒有真正得到驗(yàn)證，文章來源于谷歌研究人員向NASA提供的學(xué)術(shù)論文當(dāng)中出現(xiàn)的，但隨后，這篇論文被刪，谷歌與NASA也拒絕承認(rèn)論文的真實(shí)性。所以從這里可以斷定，谷歌量子霸權(quán)事件其實(shí)只是一個(gè)烏龍!

量子計(jì)算真的離我們很遠(yuǎn)嗎?

量子計(jì)算主要適配于通用模型的設(shè)計(jì)，具備大型、容錯(cuò)和通用的三個(gè)特性，普通人很難接觸到量子計(jì)算機(jī)，但我們所有人能享有量子計(jì)算帶來的特定領(lǐng)域的研發(fā)收益。這一點(diǎn)金融資本比我們普通人的嗅覺更為敏感。

量子計(jì)算應(yīng)用于智能醫(yī)療、金融投資，環(huán)境工程，網(wǎng)絡(luò)安全，云計(jì)算人工智能等領(lǐng)域，用來為特定領(lǐng)域提供有效的解決方案，而各國(guó)也為此投入了巨資入局，歐盟2018年投入了10億歐元實(shí)施“量子旗艦”計(jì)劃，牛津大學(xué)投資2.5億成立量子研究中心。荷蘭1.4億美元投資研究量子計(jì)算，日本3.6億美元，加拿大2.1億美元。而中國(guó)的阿里巴巴、百度、騰訊、以及國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)中心等部門與機(jī)構(gòu)紛紛入局，未來的量子計(jì)算將會(huì)在未來十年呈現(xiàn)出一個(gè)全新的格局。

筆者堅(jiān)信一點(diǎn)，未來量子計(jì)算不會(huì)取代超大規(guī)模集成電路模式的傳統(tǒng)計(jì)算。而是會(huì)形成共生的形態(tài)，量子計(jì)算研究通用問題，大數(shù)據(jù)以及環(huán)境工程模型迭代問題，在垂直領(lǐng)域發(fā)力，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)則依然會(huì)在民用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。就如同現(xiàn)在的手機(jī)迭代速度如此之快，依然沒有替代電腦成為生產(chǎn)力的主要工具一樣。量子技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走，也許也會(huì)成為下一輪工業(yè)革命的拐點(diǎn)。