随机硬件错误不太可能制作量子计算的未来

时间：2022-01-07 13:58:01来源：

谷歌宣布这令人沮丧的是，它已经证明了“量子至上” - 也就是说，它执行了比最佳经典计算机可以实现的更快的量子计算。IBM迅速批评了该索赔，称其自身古典超级计算机可以以几乎相同的速度执行计算，远远越来越大，因此，谷歌公告应该是“具有大剂量怀疑”。

这不是第一次对量子计算引起怀疑的第一次。去年，法国蒙彼利埃大学理论物理学家Michel Dyakonov提供了一种技术原因，为什么实用量子超级计算机永远不会建在IEEE频谱的文章中，这是电气计算机工程杂志。

那么你怎么能理解正在发生的事情？

作为在多年上进行量子计算的人，我认为由于硬件中随机错误的不可避免，有用的量子计算机不太可能构建。

什么是量子电脑？

要了解原因，您需要了解量子计算机如何工作，因为它们与古典计算机根本不同。

经典计算机使用0s和1s来存储数据。这些数字可以是电路中不同点的电压。但是量子计算机在量子位上工作，也称为Qubits。您可以将它们作为与幅度和阶段相关联的波。

艺术家的谷歌处理器的再现。

Qubits具有特殊属性：它们可以存在于叠加中，在那里它们同时都是0和1，并且它们可能被纠缠在一起，使它们共享物理性质，即使它们可能被大距离分开。这是一个在古典物理世界中不存在的行为。当实验者与量子状态相互作用时，叠加消失。

由于叠加，具有100个Qubits的量子计算机可以同时代表2100个解决方案。对于某些问题，可以利用这种指数平行度来创造巨大的速度优势。例如，在量子机上可以呈指数级别地解决一些代码问题。

还有另一个较窄的量子计算方法，称为量子退火，其中Qubits用于加速优化问题。基于加拿大的D波系统建立了为此目的使用Qubits的优化系统，但批评者还声称这些系统与古典计算机没有更好。

无论如何，公司和各国正在投资量子计算的大量资金。中国开发了一个价值100亿美元的新量子研究机构，而欧洲联盟开发了10亿欧元（11亿美元）的量子总体规划。美国的国家课程倡议法提供12亿美元，在五年内推广量子信息科学。

打破加密算法是许多国家的强大动力因素 - 如果他们可以成功地完成，它会给他们一个巨大的智力优势。但这些投资也在促进物理学的基本研究。

谷歌的Sycamore处理器只有54个Qubits。

除了Google和IBM之外，许多公司正在推动建立量子计算机，包括英特尔和微软。这些公司正在尝试构建复制古典计算机电路模型的硬件。然而，目前的实验系统具有少于100夸脱。为实现有用的计算性能，您可能需要具有数十万Qubits的计算机。

噪音和纠错

支撑量子算法的数学是很好的，但仍有令人生畏的工程挑战。

对于计算机正常运行，必须纠正所有小随机错误。在量子计算机中，这种误差来自非理想电路元件和距离与它们周围的环境的相互作用。由于这些原因，QUBITS可能会在一秒的一部分中失去一致性，因此，必须在更少的时间内完成计算。如果随机错误 - 在任何物理系统中不可避免 - 未得到纠正，计算机的结果将是毫无价值的。

在古典计算机中，通过利用称为阈值化的概念来校正小噪声。它就像数字的舍入一样。因此，在众所周知的整数的传输中，如果误差小于0.5，则如果接收到3.45，则可以将接收值校正为3。

通过引入冗余可以纠正进一步的错误。因此，如果0和1被发送为000和111，则可以容易地校正传输期间最多一个误差误差：接收到的001是解释为0，并且收到的101将被解释为1。

量子误差校正码是古典误差的概括，但存在至关重要的差异。对于一个，无法复制未知Qubits以将冗余合并为纠错技术。此外，在引入纠错编码之前，在引入纠错编码之前存在的错误不能校正。

量子密码学

虽然噪声问题是在Quantum计算机实现中的严重挑战，但在量子密码中，人们正在处理单个Qubits，而单个Qubits可以保持从环境中隔离，以便大量的时间。使用量子密码术，两个用户可以交换已知为键的大量数字，这是安全数据，没有任何能够打破关键交换系统的人。这些关键交换可以帮助保护卫星和海军船舶之间的通信。但是，键交换后使用的实际加密算法仍然是经典的，因此加密比经典方法理论上不强。

量子密码术在商业上以有限意义用于高价值银行交易。但是因为必须使用经典协议进行经过身份验证的，因为链条只有其最弱的链接，因此与现有系统不同。Banks仍在使用基于经典的身份验证过程，它本身可用于交换键而不会丢失整体安全性。

Quantum加密技术必须将其焦点转移到量子传输信息，如果它变得明显比现有加密技术更安全。