玫瑰博客:九章量子计算机与墨子卫星真的领先世界吗?

​量子和量子力学

   “量子”一词最初是德国物理学家普朗克1900年发明。量子不是一个基本粒子,不是和分子、原子一样的概念。在微观领域中,某些物理量的变化是以最小的单位跃进的,而不是连续的,量子是个数学概念,意思就是“离散变化的最小单元”。

什么叫“离散变化”?我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。跟“离散变化”相对的叫做“连续变化”。例如你在一段平路上,你可以走到1米的位置,也可以走到1.1米的位置,也可以走到1.11米的位置,如此等等,中间任何一个距离都可以走到,这就是“连续变化”。

   离散变化是微观世界的一个本质特征。微观世界中的离散变化包括两类,一类是物质组成的离散变化,一类是物理量的离散变化。发现离散变化是微观世界的一个本质特征后,科学家创立了一门准确描述微观世界的物理学理论,就是“量子力学”。

量子计算与量子信息

    量子力学出现一个世纪后,产生了量子力学与信息科学的交叉学科—量子信息。量子信息又分为量子计算和量子通信两个分支。量子计算的应用方面有量子因数分解和量子搜索,量子通信在应用方面有量子密码术和量子隐形传态。

量子计算机VS经典计算机

    量子计算领域的应用是量子计算机。量子计算机与传统计算机在结构、比特、程序语言、算力、所解决的问题等方面都有很大区别。

结构不同:

经典计算机

 

 

 

 

 

 

 

 量子计算机结构(以超导计算机为例)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

比特vs量子比特, 底层硬件信息表达方式不同:

    比特是计算机科学的基本概念,指的是一个体系有且仅有两个可能的状态,一般用“0”和“1”来表示。经典计算机使用晶体管的特性(类似于开关),其有两种状态,要么开,要么关。这个基本的一个单位,我们称之为比特,这是经典计算机最底层硬件的信息表示方式。

    量子比特利用量子力学中量子三个特点叠加、测量和纠缠,在叠加原理的框架下,基本状态是“量子比特”。量子比特状态下,体系的状态不是只能取“0”或取“1”了,而是可以取任意的a|0> + b|1>状态。从两个选择到无穷多个选择,这是个巨大的扩展。一个量子比特包含比一个经典比特大得多的信息量。

    我们可以做一个比喻:经典比特是“开关”,只有开和关两个状态(0和1),而量子比特是“旋钮”,就像收音机上调频的旋钮那样,有无穷多个状态(所有的a|0>+ b|1>)。显然,旋钮的信息量比开关大得多。

 

编程语言不同

 

 

 

 

 

 

 

算力不同

经典计算机算力:

一个包含n个经典比特的体系,总共有2n个状态。想知道一个函数在这个n比特体系上的效果,需要对这2n个状态都计算一遍,总共要2n次操作。当n很大的时候,2n是一个巨大的数字。指数增长是一种极快的增长,比n的任何多项式都快。比如说,2n比n的10000次方增长得还要快。

在经典计算机科学中,把计算量指数增长的问题称为“不可计算的”,把计算量多项式增长的问题称为“可计算的”。不可计算的意思并不是计算机不能算,而是计算量增长得太快,很容易就达到“把全世界的计算机集中起来算几十亿年都无法得出结果”的程度。

量子计算机算力:

量子计算对n个量子比特的体系,却有一个巧妙的办法。使每个量子比特都处于自己的|+> =(|0> + |1>)/√2态,那么整个体系的状态就是|++…+> = (|00…0>+|00…1> + … + |11…1>) /2n/2。仔细看看你会发现,0和1的所有长度为n的组合都出现在其中,总共有2n项,刚好对应n个经典比特的2n个状态。对这个叠加态做一次操作,得到的就是所有2n个结果的叠加态。量子比特的一次操作,就达到了经典比特2n次操作的效果!

解决的问题不同:

 

    计算机,顾名思义,只能解决那些可以用数学公式描述表达的、可以计算的问题,那些不能用数学公式表达的问题,是不能通过计算机解决的,比如情绪情感问题。

 

    经典计算机由于算力所限,有些问题是不可以计算的。量子计算机也不能计算所有的问题,只能计算那些可以用量子比特模拟、数学家已经研究出了量子算法公式的问题,比如质因数分解。

 

所谓因数分解,就是把一个合数分解成质因数的乘积,例如21 = 3 × 7。因数分解是数学中的经典难题。你也许会问,这有什么难的?你当然不管三七二十一就能分解21,但请试试看分解267 -1 = 147,573,952,589,676,412,927。这是个18位数。1644年(明朝灭亡的那一年),法国数学家梅森(Marin Mersenne)提出它是一个质数。在那之后的很长时间里,人们都这么认为。直到1903年(清朝都快亡了),人们才发现它是一个合数,等于193,707,721 × 761,838,257,287。耗了一个朝代才解决这个问题。那你说,有了经典计算机,这样的问题不在话下了吧?答案是:No。如果计算机一秒做1012次运算,那么分解一个300位的数字需要15万年,分解一个5000位的数字需要……50亿年!地球的年龄也不过是46亿年而已!量子计算机有望解决这个问题。

量子计算机的实际运用之一:解密码

因数分解的一个特点:它的逆操作,即算出两个质数的乘积,是非常容易的;而算出一个数的因数分解是很困难的。这种“易守难攻”的特性,使它在密码学中得到了重要的应用。

因数分解的困难性,是现在世界上最常用的密码系统“RSA”的基础。RSA是一种“公开密钥密码体系”,它的密钥(即加密时用到的参数)是对全世界所有人公开的。为什么敢公开?因为这个密钥是一个很大的合数,解密需要把它分解成两个质数,而发布者有信心别人在正常的时间内解不开。

如前所述,量子计算相对于经典计算有潜在的巨大优势,只是实现这种优势需要聪明的算法设计,只有对少数问题能够设计出这样的算法。而因数分解,就是这样的问题之一。1994年,肖尔(Peter Shor)发明了一种量子算法,把因数分解的计算量减少到了多项式级别,也就是从不可计算变成了可计算。

这又是个什么概念呢?同样还是分解300位和5000位的数字,量子算法会把所需时间从15万年减到不足1秒钟,从50亿年减到2分钟!对RSA密码系统来说,这不是“隐”患,而是“明”患!

 

     看起来,全世界的密码人员都应该陷入恐慌了。但事实上还没有,人们仍然在用着RSA。为什么呢?因数分解的量子算法只是理论,真要实现它还是非常困难的,造出有实用价值的量子计算机还需要很多努力。

第一次真正用量子算法分解质因数是在2007年实现的,把15分解成3 × 5。有两个研究组同时做出了这个实验,一个是中国科学技术大学的潘建伟和陆朝阳等人,一个是澳大利亚布里斯班大学的A. G. White和B. P. Lanyon等人。此后各国科学家不断努力,把这个领域推向前进。目前在实验上分解的最大的数是291,311 = 523 × 557,是由中国科学技术大学的杜江峰和彭新华等人在2017年实现的。

美国谷歌悬铃木VS 中国九章 

 

    造出专门处理某些任务的“专用”的量子计算机比造出“通用”的量子计算机要容易得多。对于量子计算机的新闻,千万不要问“计算能力跟我的电脑比起来怎么样”或者“打游戏会卡吗”,而是要问“它针对的是哪个数学问题,把计算量从什么改进到了什么”。

谷歌悬铃木计算机

量子计算领域的里程碑事件:谷歌在被称为“量子优越性”(也称为子霸权)方向上的重大突破研究,登上了《自然》杂志 150 周年版的封面。谷歌利用一台 54 量子比特的量子计算机实现了传统架构计算机无法完成的任务。在世界第一超级计算机需要计算 1 万年的实验中,量子计算机只用了 3 分 20 秒。

 

 

 

 

 

谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊和圣芭芭拉实验室中谷歌的量子计算机

谷歌 Sycamore 量子处理器

量子优越性实验是在一个名为 Sycamore 的 54 量子比特的完全可编程处理器上运行的。该处理器包含一个二维网格,网格中的每个量子比特与其他四个相连。所以,芯片具有足够的连通性,量子比特状态可以在整个处理器中快速地进行交互,使得完整状态无法使用经典计算机进行有效地模拟。

 

 

 

 

 

 

Google、IBM 和 Rigetti 采用的量子比特都由 超导金属刻蚀而成的 微纳谐振电路构成。

悬铃木Sycamore 是完全可编程的,可以运行通用量子算法的量子计算机。悬铃木模拟的问题是随机数发生器抽出的数字确实是真正随机的。

 

对于悬铃木的质疑

量子计算赛道另一位“重量级选手”IBM却对此提出质疑。IBM研究人员约翰·冈纳尔斯等人在阿奇夫论文预印本网站上贴出一篇论文,承认谷歌的实验非常好地展示了基于超导的量子计算领域进展,但认为,谷歌的量子计算机与现有超级计算机之间的差距并没有那么大,不应被视为实现了“量子霸权”。

他们认为,谷歌在用传统计算机模拟时优化水平不够,按IBM的计算,现有最好的超级计算机只需要2.5天就能完成前述计算任务,甚至还可能更快。

对于悬铃木的另一项质疑是:它实现量子优越性的方式存在依赖样本数量的技术漏洞。即同样的问题,在一定数目范围内,它能算的比经典计算机快,超过了一定的数目,它算的不比经典计算机快。

 

中国九章量子计算机

   

     量子计算机需要用某种物理体系来实现,电子计算机可以用电子管实现,也可以用晶体管实现,光量子计算机就是用光子作为量子比特的量子计算机,利用光子的路径、偏振、角动量来模拟数学变量。

2020年12月4日,12月4日,国际学术期刊《科学》发表了一项成果:中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,求解数学算法高斯玻色取样只需200秒,而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。

实验显示,当求解5000万个样本的高斯玻色取样时,“九章”需200秒,而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看,“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍,并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。

这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

潘建伟团队这次突破历经20年,主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。

“比如说,我们每次喝下一口水很容易,但每次喝下一个水分子很困难。”潘建伟说,光子源要保证每次只放出1个光子,且每个光子一模一样,这是巨大挑战。同时,锁相精度要在10的负9次方以内,相当于100公里距离的传输误差不能超过一根头发直径。

与通用计算机相比,“九章”还只是“单项冠军”。但其超强算力,在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。

    “九章”输出量子态空间规模达到了10^30,“悬铃木”输出量子态空间规模是10^16,目前全世界的存储容量是10^22。

 

量子计算机玩家

IBM、微软、英特尔等欧美科技企业也通过不同技术路径不断实现对更多量子比特的操纵。

据美国《科学》杂志网站15日报道,IBM公司近日公布了其量子计算机发展路线图,其中包括到2023年建造一台包含1000个量子比特的量子计算机。据悉,IBM目前最先进的量子计算机仅包含65个量子比特。

IBM的新计划还包括在2021年和2022年分别建成包含127个和433个量子比特的中型量子计算机,并计划未来某一天创建出包含100万个量子比特的量子计算机。IBM研究总监达里奥·吉尔表示,他对自己的团队能够按时圆满完成计划充满信心。

2020年4月,谷歌量子人工智能实验室主任哈特穆特·奈文在一次采访中表示,谷歌计划在10年内建造一台容纳100万个量子比特的量子计算机,不过,他拒绝透露具体的日程表。

中国的华为、阿里、腾讯等公司在量子领域投入了研究。

在量子研究领域,美国战略齐备,多方位支撑;欧洲双层发力,多轮化驱动;日本突出重点,分阶段推进;新加坡与澳大利亚:半官方指导,多维度规划。

在资本市场,量子计算机研发相关单位开始获得融资,中国量子计算机厂商本源量子获数亿元A轮融资。

 

量子计算机在化学方面应用:

   2020年8月,Google量子计算再次重大突破,首次模拟化学反应,可用于开发新化学物质 。为了完成这项最新成果,研究人员使用 Sycamore 处理器,模拟了一个由两个氮原子和两个氢原子组成的二氮烯分子的异构化反应。最终,量子模拟与研究人员在经典计算机上进行的模拟一致,验证了他们的工作。

墨子通信卫星

 

量子信息的一个应用“量子密码术”,也称为“量子保密通信”或者“量子密钥分发”。在密码界,有一个香农定理,香农定理认为如果一个密码满足了密钥随机、长度不低于明文、一次一密这三个条件,密码就是不可破译的。量子密码术满足了这三个要求,用量子密钥加密后的密文是不可破译的。

量子保密通信的全过程包括两步。第一步是密钥的产生,这一步用到量子力学的特性,需要特别的方案和设备。第二步是密文的传输,这一步就是普通的通信,可以利用任何现成的通信方式和设施。量子保密通信所有的奇妙之处都在第一步上,所以它又被叫做“量子密钥分发”,这是业内人士常用的一个技术性的名称。

量子密码术的安全性表现在四个方面:一,如果成功生成了密钥,那么密文即使被截获了也不会被破译;二,不需要传递密钥的信使;三,不会被计算技术的进步破解;四,如果在密钥生成过程中有人窃听,那么会被通信方发现,仍然不会泄密这几点是量子密码术的本质特点。

量子密码术是目前所知唯一的既不需要信使、也不惧怕算法进步的保密方法,更是唯一的能发现窃听的保密方法

量子密码术BB84协议要求A每次只发一个光子。量子密码术之所以要用单光子,回顾一下 “量子”的概念就能理解,单个光子已经是最小的单元了,窃听者无法只偷一部分。所以量子密码无法被偷听,一旦被窃听,就会被密码使用者察觉。传统的密码术,如果窃听者破解了密码,密码使用者是不知道的。二战中,联军破解了德军密码,但一直没有公布,继续截获了德军大量情报。

 

但实际的单光子光源效率很低,用它会导致成码率非常低,比如说几百年才能生成一个字节的密钥。绝大多数实验用的是效率高的激光光源,但激光不是严格的单光子,有一定的几率在一个脉冲中出现多个光子,这就给窃听者留下了可乘之机。

实验条件的种种不完美之处,会给量子密码术的安全传输距离设置一个上限,超过这个距离就可能泄密。首次量子通信在实验室诞生,量子信息传输了32厘米。后来逐步提高,但由于实验光源激光不是单光子的问题,安全传输距离无法提高到20公里以上。2003-2005年,韩国科学家黄元瑛(Hwang W. Y.)和中国科学家王向斌、罗开广等人想出了一种巧妙的办法,就是前面提到的“诱骗态协议”。激光光源发射的光子数有一定的分布,发射许多光脉冲就相当于发射一些单光子脉冲、一些多光子脉冲和一些零光子脉冲(也就是没发)。在脉冲的平均光子数小于1时,诱骗态方法可以使得实验等效于只用单光子脉冲。对于量子密码术的安全性而言,这相当于把实际的不完美的光源变成了完美的单光子源。

克服了这个重要障碍以后,量子密码术的安全传输距离开始迅猛增长,不断刷新纪录。自那以来,大多数纪录都是中国科学技术大学的实验团队创造的。

    2016年8月16日,墨子号量子卫星上天时,光纤中的安全传输距离已经超过了200公里。2016年11月,中国科学技术大学、清华大学、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作,又把安全传输距离提高到了404公里,而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。也就是说,间隔102公里的量子保密电话已经是在技术上可行的了。几百公里的范围,对于一个城市内部的通信来说是够用了,我国确实在合肥、芜湖、北京、上海、济南等地建设了实验性的量子政务网。但对于城市之间、国家之间甚至大洲之间的通信,几百公里的距离远远不够。

一条技术路线是直截了当容易想到的,每隔一两百公里加一个中继器。中国建设了量子保密通信“京沪干线”,京沪干线实际做的事情,就是在北京、济南、合肥、上海的内部量子网络的基础上,通过几十个中继节点把它们连接起来。这样,就可以在两千公里的范围内,实现量子保密通信。

另一条技术路线:用卫星作中继器。用卫星作中继器,优点是显而易见的:比如说卫星这个时刻在中国上空,下个时刻在欧洲上空,那么就可以实现中国和欧洲之间的量子保密通信。将来建成20颗卫星的星座,就可以覆盖全球。

但困难也是显而易见的:以前光子的传输都通过光纤,现在什么介质都不用,而且一个光脉冲只能发一个光子,这样的“自由空间传输”能收到信号吗?还有,卫星跟地面处于高速的相对运动之中,把双方的探测器对准,是天地之间的“针尖对麦芒”,精度相当于“在五十公里以外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里”。墨子号量子科学实验卫星就是做这件事的,而且做成了。墨子号是世界第一颗量子科学实验卫星,科学目标包括三大实验,即星地之间的量子密钥分发、量子隐形传态和量子纠缠分发。

2017年6月,中国科学技术大学潘建伟、彭承志等人在《科学》杂志上发表文章,宣布在国际上率先实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并以此为基础对量子力学的基本原理进行了实验检验(检验的结果,自然是“量子力学还是对的”)。2017年8月,他们又在《自然》杂志上发表文章,在国际上首次实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。至此,墨子号的三大科学目标提前并圆满实现。

“墨子号”牵手“京沪干线”,中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、彭承志等与中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作,构建了全球首个星地量子通信网。经过两年多稳定性、安全性测试,实现了跨越4600公里的多用户量子密钥分发。

    整个网络覆盖中国四省三市32个节点,包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,通过位于河北和新疆的两个卫星地面站与“墨子号”相连,总距离4600公里,目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

 

    2021年1月6号《自然》发布了最新研究成果。

墨子通信卫星和九章计算机对于未来的意义

     世界上即将诞生量子通讯网络,这对于需要高度保密的军事、商业等领域有很大的实用价值。使用量子保密术的密码无法被破译。而一旦量子计算机研制成熟,传统密码就会立刻失效,你硬盘里面的比特币的价值瞬间就会变化。

本文素材来自网络。

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