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经典计算在量子对决中，正不断反击
随着量子计算的发展，定期都会有关于实现“量子计算优越性”的消息发布。量子计算机（QC）完成某些示例算法的速度比经典计算机快得多。
其中一个公开的结果出现在 2019 年。当时，谷歌公司制造的量子计算机（谷歌的 53 量子比特 Sycamore 芯片）解决了一个问题，这需要一万年才能在当时的超级计算硬件上重现。所使用的具体问题是模拟量子计算机中门和量子比特随机序列的输出。虽然听起来完全是自说自话，但1和0的序列是通过量子比特的随机行为得出的，表现出了一种特殊的随机结果，研究人员可以对其进行检查。
作为回应，IBM 公司在2019年发表了一篇论文，认为橡树岭Summit超级计算机的 250 PB 存储空间实际上可以存储谷歌 Sycamore 芯片的整个量子态向量。通过这种配置，对整个状态向量（全部 250 PB）进行蛮力更新，可以在大约 2.5 天内计算出相同的结果。
然而，只需增加几个量子比特，就能重新确立 QC 不可逾越的领先优势。如果谷歌或其他公司将量子比特从 53 个升级到 55 个，就足以超过 Summit 250 PB 的存储容量。如果是 60 个比特，则需要 33 个 Summit超级计算机，但谁会去计算呢？
在这种情况下，当 QC 举起双臂走回自己的角落庆祝时，经典方法却站了起来，准备再来一轮。
在 2021 年的一篇论文中，研究人员指出，谷歌选择了一种非常特殊的方法来计算其处理器的预期行为，但还有其他方法可以进行等效计算。自发表结果以来，已有几种经典方案报告了性能更好的结果。例如，中国科大张潘研究组在他们的论文中描述了一种特定的方法，这种方法可以让基于 GPU 的集群在短短 15 小时内产生与 QC 运行相同的结果。研究人员指出，使用配备 GPU 的超级计算机（如 Summit）运行该问题的性能将超过 Sycamore 量子处理器。
量子计算优越性即quantum supremacy，指的是使用量子计算机来解决一些定义明确的问题，而这些问题如果用现有经典计算机上运行的任何已知算法来解决，所需的时间都要比现在多出几个数量级——这不是出于偶然的原因，而是因为渐近量子复杂性的原因。
那么，如果真的实现了量子计算优越性，是否意味着现在没有代码是不可破解的呢？
——不，并非如此。
这里有两个问题。首先，谷歌、IBM 和其他公司目前正在制造的设备只有几百个量子比特，而且没有纠错功能。运行Shor算法破解 RSA 密码系统需要几千个逻辑量子比特：利用已知的纠错方法，这可以很容易地转化为数百万个物理比特，而且这些物理比特的质量可能比目前存在的任何物理比特都要高。
第二个问题是，即使在拥有可扩展的纠错 QC 的假设未来，根据我们目前的理解，它们也只能破解某些密码，而不是所有密码。一个不幸的巧合是，他们能破解的公钥密码包括我们目前用来保护互联网安全的大部分密码：RSA、Diffie-Hellman、椭圆曲线加密等。但对称密钥加密技术受到的影响应该很小。甚至还有一些候选的公钥密码系统（例如，基于格的系统），经过 20 多年的尝试，仍无人知道如何从量子角度破解，幸运的是，现在各大机构都正在努力开始向这些系统迁移。
今年（2023 年）6 月，IBM 在《自然》杂志上发表了一项重要的 QC 成果。这一次，研究人员没有创造一种特殊的随机性，而是使用了一个 127 量子比特的 IBM Eagle 处理器来计算伊辛模型，该模型模拟了 127 个磁性、量子大小的粒子在磁场中的行为。这个问题实际上具有一定的现实价值，包括铁磁性、反铁磁性、液气相变和蛋白质折叠。当编码成 127 个量子比特时，它呈现的是量子的规模优势而非速度优势，因为即使是最大的经典计算机也没有足够的内存来容纳这个问题。
IBM 团队使用了一种有趣的方法来减轻量子噪声，从而产生更可用的结果。研究人员实际上引入了更多的噪声，然后精确记录了对处理器电路每个部分的影响。利用这些数据，研究人员可以推断出没有噪声时的计算结果。
IBM 的这一结果似乎是对经典计算的一次真正的重击，但还不足以导致淘汰。在消息发布两周内，Flatiron 研究所量子物理计算中心的研究人员就迎接了挑战：他们预先发表了一篇关于其成果的论文，并报告说：“通过采用张量网络方法，我们可以进行经典模拟，其精确度明显高于量子设备获得的结果。”他们还提到模拟使用了“适度的计算资源”。
加州理工学院的 Tomislav Begušić 和 Garnet Kin-Lic Chan 也不甘示弱，他们在最近的预印本中指出：“我们在笔记本电脑单核心上进行的经典模拟，比报告的量子模拟时间快了几个数量级。”
事实上，随着量子计算的发展，我们可以期待两个相辅相成的结果：
- 量子计算在实现可行系统方面不断取得进展，并将最终取得成功（量子比特不断增加，而噪声仍是一个大问题）
- 量子计算将推动经典计算开发新算法，使许多现有用户受益。
量子计算机和超级计算机的协同工作，被称为“量超融合”。在面向未来的算力发展中，“量超融合”可以实现量子经典算力互补，根据计算过程的特点，量子计算可加速复杂问题中的关键步骤，减少复杂问题的求解时间，协同超级计算从而总体上提高复杂问题求解的效率。
中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿也曾表示：“迅速地研发出可以直接应用的国产量子计算机，并在经济各个领域发挥量子优势的作用，是我们这一代人义不容辞的历史使命。”
让我们持续保持期待，事实上，每一轮技术迭新都将给市场带来更多“超级赢家”。
参考链接：[1]https://scottaaronson.blog/?p=4317[2]https://www.hpcwire.com/2023/08/23/classical-computing-keeps-counter-punching-in-the-latest-quantum-smackdown/[3]https://www.jwview.com/jingwei/html/08-21/554736.shtml
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