很难造出真正有用的量子计算机

据国外媒体报道，谷歌在2019年秋季宣布，其量子计算机的计算速度远远超过了目前的*超级计算机，这表明“量子霸权”已经实现，而IBM则迅速表示反对，称其经典超级计算机不仅具有与谷歌量子计算机相同的计算速度，而且其真实性也令谷歌望尘莫及。因此，人们应该“怀疑”谷歌的公告。

这不是量子计算第一次受到质疑。去年，法国蒙彼利埃大学的理论物理学家米歇尔·迪亚科诺夫(Michel Dyakonov)在电子与计算机工程的旗舰期刊《电气与电子工程师学会频谱》(IEEE Spectrum)上发表了一篇文章，从技术角度列举了一系列“为什么我们永远不能建造一台实用的量子超级计算机”的理由。这篇文章的作者，俄克拉何马州立大学的量子计算专家Subhash Kak，也认为建造一台真正有用的量子计算机是非常困难的，因为硬件中的随机错误是不可避免的。

什么是量子计算机？

为了理解为什么，我们必须首先理解量子计算机的工作原理，因为它的原理本质上不同于经典计算机。

经典计算机使用无数的0和1来存储数据。这些数字可以代表电路上不同点的电压，但是量子计算机使用量子位，量子位可以被认为是一系列具有振幅和相位的波。

量子比特有非常特殊的性质。它们可以以叠加态存在，也就是说，它们可以同时是0或1。量子比特也会彼此纠缠在一起，即使相距很远，它们也拥有相同的物理属性。这种行为在经典物理世界中并不存在。一旦实验者试图与量子态相互作用，叠加态将立即消失。

由于叠加态的存在，一台有100个量子位的量子计算机可以同时给出2100个解。当解决特定问题(如代码破解问题)时，这种指数并行计算无疑具有巨大的速度优势。

此外，还有另一种量子计算方法，称为“量子退火”，它是指使用量子比特来加速优化问题的解决。加拿大的D波系统已经建立了一系列使用量子位的优化系统，但是批评家指出这些系统并不比经典计算机优越。

然而，许多公司和国家*仍然在量子计算上投入了大量资金。欧盟制定了11亿美元的量子项目总体规划，美国国家量子倡议法案提供了12亿美元用于在五年内促进量子信息科学的发展。

破解加密算法是许多国家研究量子技术的强大动力。如果他们能成功掌握这项技术，他们将在智力上获得巨大优势。此外，这些投资极大地促进了基础物理的研究。

许多公司都在尽最大努力制造量子计算机，包括英特尔、微软、IBM等。这些公司正在开发模拟经典计算机电路模型的硬件。然而，目前的实验系统只有不到100个量子位，要真正拥有计算能力，一台计算机必须有几十万个量子位。

噪声和误差校正

量子算法背后的数学原理已经很清楚了，但是在技术上仍然存在巨大的挑战。

如果计算机想正常运行，它必须能够随时纠正小的随机错误。在量子计算机中，这些错误可能来自有故障的电路元件或量子位与周围环境的相互作用。一旦这些问题出现，量子比特之间的相干性将迅速消失，因此计算时间必须比这段时间短，如果这些随机误差不被纠正，量子计算机的计算结果将毫无价值。

在经典计算机中，小规模噪声可以通过所谓的“阈值”概念进行校正，类似于数字的舍入。以整数传输为例，假设已知误差值小于0.5，如果接收数为3.45，则自动修正为3。

更严重的噪声可以通过引入“冗余”来纠正。假设0和1以000和111的形式传输，在传输过程中最多只有一个比特出错，因此，如果接收的数字是001，它将被自动校正为0；如果收到101，它将被更正为1。

量子纠错码是经典计算机纠错码的一般化版本，但是两者之间有一个关键的区别。首先，未知的量子位不能被复制，所以冗余的纠错不能被应用。其次，在引入纠错码之前，输入数据中的错误不能被纠正。

量子加密

尽管噪声是量子计算机面临的主要挑战，但量子加密却不是这样。因为在量子加密技术中，量子位之间没有相干性，单个量子位可以与外界环境隔离很长时间。使用量子加密技术，两个用户可以交换一个所谓的“密钥”(通常是一长串数字)。密钥就像保护数据的密钥，没有人能破解这个密钥交换系统。这种类型的密钥交换系统可用于卫星和军舰之间的加密通信。但是，密钥交换后使用的真正加密算法仍然是经典算法，所以从理论上讲，加密水平不会高于经典加密方法。

量子加密技术已经被用于少量的大型银行交易中，但是整个加密系统的强度与现有系统没有太大的不同，因为交易的双方必须通过经典协议来认证他们的身份，这是整个链中最薄弱的一环。银行仍然使用基于经典加密方法的认证过程，并且该过程本身也可以用于密钥交换，而不会损失系统的整体安全性。

因此，为了获得比现有技术更好的安全性，量子加密技术必须将其重点转移到量子信息传输上。

商业规模量子计算面临的挑战

如果量子信息传输的问题能够得到解决，量子加密技术仍然是有希望的，但是量子计算不一定。纠错能力对普通多功能计算机来说已经非常重要，对量子计算机来说也是一个巨大的挑战。因此，建造一台商业规模的量子计算机是不可能的。