導(dǎo)讀：美國(guó)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)了嗎？本文用最通俗的語(yǔ)言與代碼來(lái)帶各位讀者體驗(yàn)一下量子霸權(quán)。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)自公眾號(hào)程序人生（ID:coder_life），作者：馬超

近日谷歌的有關(guān)量子霸權(quán)的論文登上了Nature雜志150年刊的封面位置，而再次罷占各大媒體的頭條位置，其實(shí)這篇文章之前曾經(jīng)短暫上過(guò)NASA的網(wǎng)站，而這次美國(guó)的伊萬(wàn)卡公主甚至也直接發(fā)推，官宣美國(guó)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

雖然這次谷歌的論文中聲稱他們的量子計(jì)算機(jī)僅用200秒就完成了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要上萬(wàn)年才完成的任務(wù)，不過(guò)ibm等公司也公開回懟稱，如果優(yōu)化算法超算也僅需要幾天時(shí)間就可以完成，完全談不上什么霸權(quán)。

其實(shí)筆者后面也會(huì)講道量子計(jì)算應(yīng)用的領(lǐng)域有限，此次的量子采樣任務(wù)也的確和量子霸權(quán)關(guān)系不大，媒體略顯過(guò)度炒作了，筆者本文繼續(xù)使用最通俗的語(yǔ)言與代碼來(lái)帶各位讀者體驗(yàn)一下量子霸權(quán)。

01 什么是量子霸權(quán)

通俗的講就是量子計(jì)算機(jī)碾壓傳統(tǒng)超算的算力。量子計(jì)算的速度之源其實(shí)是量子比特，以谷歌本次所講的量子芯片為例，其內(nèi)部構(gòu)造如下：

我們可以看到與傳統(tǒng)芯片不同的是量子單元由于量子糾纏的存在是有特定的關(guān)聯(lián)關(guān)系的，這種不同計(jì)算單元中存在的糾纏關(guān)系是傳統(tǒng)超算各計(jì)算單元所不具備的性質(zhì)。以IBM有關(guān)leverage secondary Storage.的論文所述例子如下，當(dāng)然這只是文中片斷僅用于示例：

也就是說(shuō)在某種特定任務(wù)的情況下，量子芯片每增加一個(gè)量子單元那么它的算力可以呈指數(shù)級(jí)上漲，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每增加一個(gè)CPU其算力只能線性上漲。那么隨著量子單元的增加，量子芯片的計(jì)算能力必將遠(yuǎn)超現(xiàn)在的超算。

02 量子計(jì)算的限制

由于量子單元所表示的量子經(jīng)特并不是簡(jiǎn)單的0和1，還有疊加態(tài)與相互的糾纏態(tài)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式非常復(fù)雜，無(wú)法用于通用計(jì)算，對(duì)于每種計(jì)算任務(wù)都需要為量子計(jì)算單獨(dú)設(shè)計(jì)算法。換言之量子計(jì)算機(jī)并不是通用計(jì)算機(jī)，只能用于特定的任務(wù)。

03 量子霸權(quán)的由來(lái)

由于量子計(jì)算的性質(zhì)十分復(fù)雜，需要非常高超的數(shù)學(xué)知識(shí)才難設(shè)計(jì)量子算法，而且應(yīng)用的領(lǐng)域不廣，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間里人們還沒有太重視量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，直到用于因式分解的量子算法shor橫空出世，說(shuō)起來(lái)其基本并不復(fù)雜，具體如下：

• 步驟1：隨機(jī)取正整數(shù)a，a<N，且與N互質(zhì)。一般由輾轉(zhuǎn)相關(guān)法可得

• 步驟2：定義函數(shù)，求函數(shù)f(x)的周期r,如果r為奇數(shù)則重取a，再求r，直到r為偶數(shù)為止。

• 步驟3：由和可用的輾轉(zhuǎn)相除法求與N的最大公約數(shù)n1，n1即為N的一個(gè)因子。至此N的因式分解即完成。

這個(gè)算法的精髓就是步驟2，它將因式分解問題轉(zhuǎn)化為了求周期r的問題，而求周期的小能手傅里葉變換恰是量子計(jì)算的擅長(zhǎng)所在。

我們知道傅里葉變換是將函數(shù)由時(shí)域映射到頻率域的過(guò)程，而頻率就是周期的倒數(shù)，所以周期問題可以以用傅里葉變換求解，而傅里葉變換的算子與量子比特契合度較高，是量子計(jì)算的拿手好戲。

所以所謂量子霸權(quán)的邏輯是SHOR算法能夠攻破rsa算法，而rsa算法又是整個(gè)信息安全的基石，所以掌握了量子計(jì)算機(jī)就等于破解了整個(gè)信息安全身份認(rèn)證體系，從而實(shí)現(xiàn)霸權(quán)?？梢哉f(shuō)如果沒有SHOR算法的提出，那么也就沒有量子霸權(quán)的概念了。

04 用Python體驗(yàn)量子算法

目前IBM推出的qiskit是非常棒的Python量子模擬器，不過(guò)最近新注冊(cè)用戶可能有些困難。如果各位讀者之前有IBM Q的帳號(hào)可以到他們?cè)诰€的Notebook環(huán)境去感受一直量子傅里葉變換：

https://quantum-computing.ibm.com/jupyter

當(dāng)然讀者如果有Python3.6和C++的編程環(huán)境，直接使用pip install qiskit命令即可完成安裝，?具體量子傅氏變換的代碼及注釋整理如下：

import?mathfrom?qiskit?import?QuantumRegister,?ClassicalRegister,?QuantumCircuitimport?warnings??#忽略告警warnings.filterwarnings('ignore')#定義量子傅里葉變換函數(shù)qftdef?qft(circ,?q,?n):"""n-qubit?QFT?on?q?in?circ."""for?j?in?range(n):for?k?in?range(j):circ.cu1(math.pi/float(2**(j-k)),?q[j],?q[k])#套用傅里葉就換circ.h(q[j])n?=?3??#量子比特?cái)?shù)量q?=?QuantumRegister(n)c?=?ClassicalRegister(n)qft_n?=?QuantumCircuit(q,?c)#定義量子電路，后面可以可視化qft(qft_n,?q,?n)for?i?in?range(n):qft_n.measure(q[i],?c[i])print(qft_n.qasm())#?可視化from?qiskit.tools.visualization?import?circuit_drawercircuit_drawer(qft_n,filename='./qft_circuit')#可視化

然后打開在你運(yùn)行以上代碼的目錄打開qft_circuit文件就能看到咱們剛剛定義的量子電路了，具體效果如下：

05 谷歌所做的工作

本次谷歌的量子計(jì)算機(jī)是一塊包含54個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片Sycamore ，不過(guò)可惜的是其中一個(gè)比特?fù)p壞了，所以實(shí)際是53量子比特，它使用超低溫狀態(tài)下的鋁實(shí)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)，整體運(yùn)行在20mK以下的環(huán)境，以保證超導(dǎo)的狀態(tài)。

本次的計(jì)算任務(wù)是量子采樣，簡(jiǎn)單的理解就是量子狀態(tài)的采集，這個(gè)任務(wù)可以被廣泛應(yīng)用在量子力學(xué)的研究中。根據(jù)結(jié)果來(lái)看Sycamore ?200秒約可采樣100萬(wàn)次，并且最終結(jié)果的保真度預(yù)計(jì)有0.2%；作為對(duì)比，谷歌預(yù)計(jì)超算 Summit 要得到保真度為0.1% 的結(jié)果，需要耗費(fèi)1萬(wàn)年。

不過(guò)值得一提的由于SHOR算法要求的計(jì)算錯(cuò)誤率不能超過(guò)0.7%，所以目前以Sycamore 的精度還不能承擔(dān)破解rsa體系的任務(wù)。由于量子不確定性效應(yīng)，隨著量子比特的增加，控制整個(gè)計(jì)算芯片的難度也大大增加，谷歌科學(xué)們甚至提出了使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，這里不加贅述了，不過(guò)能實(shí)現(xiàn)如此多單元的量子計(jì)算機(jī)也實(shí)屬創(chuàng)舉。

06?寫在最后

雖然量子計(jì)算只能應(yīng)用于特定場(chǎng)景，且量子霸權(quán)也主要是指量子計(jì)算可以破解rsa安全體系，但是也不能否定本次谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)展與成果。客觀的講谷歌只是邁向了通向量子霸權(quán)之路的第一步，但是所有偉大的IT項(xiàng)目都是從“hello world”做起的。

用谷歌CEO皮柴的話講這就是這一里程碑對(duì)量子計(jì)算世界的意義：一個(gè)充滿可能性的時(shí)刻。

有話要說(shuō)👇

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的20 行 Python 代码说清量子霸权！的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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