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量子计算机之海市蜃楼

(2018-11-18 17:41:57)

量子计算机之海市蜃楼

               梅晓春(1)        俞 平(2)

1. 福州原创物理研究所      2. 美国Cognitech计算技术研究所

今日头条:https://www.toutiao.com/a6594262314558423565/

量子计算机被认为代表了新一代的计算技术,它具有指数加速计算的功能,其计算速度远远超过传统的晶体管电子计算机。本世纪以来,量子计算机的研究从抽象理论进入规模实验阶段。各国政府和民间研究机构投入巨量的财力物力,试图早日实现所谓的量子霸权。尤其这一两年,各种量子计算机研究成功的报道不绝于耳,令人眼花缭乱。谷歌,IBM,阿里巴巴等世界各大高技术企业巨头你追我赶,相互攀比,不断刷新记录,量子计算机的研究进入战国称雄时代。

按照现有的理论,对于由N个微观粒子组成的量子计算机,其计算速度是传统晶体管计算机的2N次方倍。比如对于一个由50个微观粒子组成的量子计算机,其计算速度是传统计算机的1050次方倍。如果用来分解一个300位的素数,量子计算机只需要1秒钟。用每秒计算速度1000亿次的晶体管计算机,则需要15万年。如果量子计算机得以实现,现有的通讯密码体系RSA就不再具有保密作用。量子通信专家们经常用这种盛世危言来吓唬政府和老百姓,让纳税人为他们多掏点钱。

然而,量子计算机真的来到人间了吗?笔者可以负责地告诉大家,所有这些声称已经成功的量子计算机,没有一个是真的!从物理学基本原理的角度,所谓的量子计算机是根本做不出来的。原因在于,量子计算机并行计算的加速能力建立在对量子力学波函数叠加原理的错误理解之上。由于违背自然界的基本规律和事物的基本逻辑,量子计算机终是海市蜃楼,永远可望不可及。

100年前量子力学诞生以来,人类对微观世界的认识有了飞跃的发展。对于微观物理过程的计算和应用,量子力学似乎总是对的。然而对量子力学的真实含义,却一直未能弄清楚。以至于物理学家费曼在20世纪60年代说,全世界没有一个人懂量子力学。

然而事实并非如此,照笔者的看法,不是全世界没有人能懂量子力学,而是量子力学的正统解释——哥本哈根解释把问题搞乱了。按照哥本哈根学派对量子力学的解释,这个世界是逻辑颠倒,本体分裂,物格错乱,根本无法理喻的。量子力学的创始者之一,瑞典哥本哈根大学的尼尔斯.波尔,是哥本哈根解释的最主要提出者。量子计算机的理论基础,就是建立在波尔学派的量子力学哥本哈根解释基础上。

比如对于波函数的叠加原理,哥本哈根解释认为单个微观粒子在某个确定时刻可以处于不同的状态。比如对于氢原子核外的一个电子,哥本哈根解释认为它可以同时处于基态和第一激发态,或者说它们的叠加态。用计算机二进位制的语言,就是说一个电子在同一时刻可以同时处于0的状态和1的状态,或者说处于01的叠加状态,因此就可以用一个氢原子同一个时刻存储两个不同的信息。

这在经典物理学中是不可想象的,一个宏观粒子不可能同时处于两个不同的状态。在传统的电子计算机中,一个晶体管的电路要么处于0的状态(断开),要么处于1的状态(接通),是不可能同时即接通,又断开的。正是由于微观粒子被认为具有这种分身的本领,用它们来做计算机,就具有巨大的存贮能力和加速功能。

然而,一个微观粒子在任意时刻可以处于不同的状态吗?这个问题的答案仍然是否定的,事实上是根本不可能的。直至今为止,物理实验上从来没有观察到这样的事情。实验观察到的事实仍然是,一个粒子要么处于基态,要么处于激发态,不可能同时即处于基态,又处于激发态。注意到我们此处讨论的是一个微观粒子的叠加态,它与两个微观粒子的纠缠态是不一样的概念。纠缠态实际上是微观粒子的全同性所致,至少需要两个全同粒子才有纠缠态的问题。

事实上,电子从基态跃迁到激发态需要吸收一个光子,从激发态跃迁回基态会放出一个电子。电子到底是吸收一个光子还是辐射一个光子,这是一个可以明确界定的客观事实。处于这两个状态的电子的能量也是不一样的,认为一个电子可以同时处于基态和激发态,是违背能量守恒的。因此我们无法用这种性质做量子计算机,达到并行计算。这就像一个人在同一时刻不可能即在楼上又在楼下,除了分身无术外,在楼上和楼下有一个引力势能差,什么粒子都无法逾越

再比如利用粒子的分立自旋来表述01,需要将粒子放置在磁场中。粒子自旋与磁场方向相同状态的能量,和自旋与磁场方向相反状态的能量是不一样的。对粒子的自旋方向进行转换需要施加能量,因此一个粒子也不可能同时处于自旋向上和向下的两种状态,我们也无法利用这种性质来做量子计算机。

哥本哈根解释认为微观粒子可以同时处于两种状态的看法是反逻辑的,它违背最基本的自然规律和科学常识的,是根本不可能的。

波尔有一个奇怪的说法,认为一个量子态在没有被测量之前,我们对它什么也不能说。因为它是处于叠加态,而不是确定态。波尔有句名言:“一个现象在没有被观察之前不能说是一个现象”。这种说法有标新立异,有哗众取宠的味道。在哲学和美学上或许有它的意义,在物理学上则是没有价值的,因为它不真实。

为了避免逻辑上的尴尬,哥本哈根解释就不得不在量子力学体系中加上一条测量公理。这条公理在量子力学刚建立时是没有的,它是后来添加进去的。该公理认为,量子力学在本质上是一个测量理论,微观物体的本质取决于我们对它的测量。按照量子力学的投影测量理论,一旦对波函数叠加态进行测量,波函数就会崩塌到其中的一个态。因此我们实际观察到的微观粒子总是其中的一个态,不可能观察到叠加态。

按照这种看法,就导致许多奇谈怪论,比如“月亮在我们没有看它的时候是不存在的”。以及著名的薛定谔猫佯谬,一只猫可以处于半死半活的状态,一旦进行观察,猫就变成要么是死的,要么是活的。

这种说法就像一个人自称拥有1百万个比特币,是个亿万富翁。然而他的比特币一旦卖出,就塌缩成一个。你说这个人富翁,还是骗子呢?量子力学哥本哈根解释的测量理论就面临这样的问题,为了能够达到逻辑自洽,不得不采用自欺欺人的方法,来自圆其说。

量子力学测量理论的这种说法,与微观粒子不可能同时处于两个状态的说法,实际上等价的。既然如此,我们就没有必要如此拐弯抹角,画蛇添足。按照奥卡姆的剃刀理论,对于同一现象如果有两种不同的假说,应该采取比较简单的那一种。量子力学的测量理论实际上是一个累赘,应当奥卡姆剃刀刮掉。

事实上,量子力学还有一种非常合理解释,即量子统计系综解释。该解释由前苏联物理学家布洛钦采夫提出,认为量子力学不是描述单个微观粒子,而是描述大量微观粒子,波函数是对大量粒子的统计平均,或者对单个粒子长时间过程的统计平均。在任意确定的时刻,单个微观粒子只能处于一个态,不可能同时处于两个态。

在量子统计系综理论看来,波函数的叠加态仅是一个数学工具,用来对微观系统做统计平均计算。在现实世界中,物理实体不是以叠加态的形式存在的。其实在数学上很清楚,只要使用几率的概念,涉及到的就不是单次事件,而是大量事件的统计平均。对于单个粒子的行为,需要多次试验后,谈论几率才有意义。对于单个粒子的瞬间单次行为,谈论几率是没有意义的。

按照系综解释,量子力学中的所有奇谈怪论都烟消云散。比如月亮是否存在与我们看不看它完全无关。由于量子力学描述的是大量的微观猫,其中某些是死的,某些是活的,也与我们的观察无关,根本不存在一只猫处于半死不活的状态这种滑稽的事情。

 

事实上,在大学物理系学过理论物理的人都知道,物理学中比量子力学的更高级课程是量子统计力学。量子统计力学的整个公理体系和计算方法与量子力学是基本一样的,普通的量子力学被用来描述纯系综,多个不同的纯系综以某种权重的方式,构成总的混合系综。仅从这种关系判断,我们就应当认为量子力学是统计理论,不能用来描述单个微观粒子。量子力学与量子统计力学的关系,不同于牛顿力学与经典统计力学的关系。牛顿力学描述单个粒子,其公理系统和计算方法与经典统计力学是完全不一样的。

与经典电子计算机一样,量子计算机也依靠逻辑门来进行计算。对二者进行比较发现,量子计算机多了一个H逻辑门,其他逻辑门仍然是经典的。这个H逻辑门建立在量子力学哥本哈根解释基础上,它将一个量子单态变成两个态的叠加。理论证明,量子计算机的逻辑门组可以由一位量子逻辑门和其他经典逻辑门构成。H逻辑门是最主要的一位量子逻辑门,正是这个逻辑门的作用,导致量子计算机的指数加速。由于单个微观粒子仍然不可能同时处于两个状态,H逻辑门在物理上是不可实现的。量子计算技术也就不可能利用这种逻辑门来制备量子叠加态,到达计算加速的目的。

与传统的电子计算机相比,量子计算机的计算程序有两点不同:

1)量子计算需要先制备微观粒子的叠加态。

2)计算结果需要进行投影测量才能得到。

然而,这两个步骤都存在严重的问题。首先,如何得到量子力学的叠加态呢?量子计算机需要先将微观粒子的所有量子位置零,也就是说把微观粒子都制备在基态上。然后采用H逻辑门的变换,把处于基态的粒子制备到叠加态。

然而,即使按照投影测量公理,也只能使叠加态崩塌到单态,不可能把单态(基态)变成叠加态。量子力学的测量理论从来都没有说过,可以把一个粒子的单态变成叠加态。因为波函数的崩塌过程是一个不可逆的过程,这种不可逆性是哥本哈根解释认可的,量子计算机原理却违背这个基本原则而不知!

事实上,粒子态的制备和输入过程需要先对系统进行测量,而测量导致波函数崩塌。因此波函数的叠加态也是不可输入的,H逻辑门在物理学上根本无法实现。

其次,即使量子力学的哥本哈根解释是对的,在一般的情况下,为了提取计算结果,需要对波函数进行投影测量。一旦进行测量,波函数就崩塌到其中的一项,其他项就消失,永不可复原。在实际计算过程中,有些复杂问题需要进行多步骤的计算,后一次计算需要了解前一次计算的结果。一旦进行数据提取,就会遭遇波函数崩塌,造成大部分数据消失,使后续的计算无法进行。

因此,即使哥本哈根解释是对的,量子计算机的优越性也是画饼充饥,实际上是一句空话。许多量子计算机专家也隐隐约约地感觉到,这里隐藏这一些非常基本的问题,有些教科书也模模糊糊地谈到这个问题,只是没有完全道破罢了。

对这个问题有比较清晰表达的,是张永德先生的书《量子信息物理原理》。在该书的第217页写到:

“这就是说,由于量子态的线性叠加性质,算符对计算机中所有的可能自变数态,一次性的将对应的函数全部算了出来。只不过是相干叠加这的,一旦测量便会坍缩到其中的某个函数值。所以要真正取出全部计算数据需要宏观数目的这类同样的计算机同时工作。”

既然如此,我们就根本没有必要如此麻烦,去研究和制造量子计算机。只要使用同样多的,宏观数量的传统电子计算机来做计算,也可以得到相同的结果。而且电子计算机稳定的多,计算结果可靠得多,又有现成的计算方法可用,我们何必舍近求远,去寻找那种虚无缥缈,实际上不可能存在的东西呢。

事实上,我们只能将量子计算机看成用原子和离子等来代替硅基晶体管,对经典电子计算机进行模拟的计算机。它利用一个微观粒子可能存在的两个状态,代替经典计算机的一个电子元件的两个状态,将量子计算机称为原子计算机更为合适。虽然微观粒子的有些性质与经典粒子不同,但用来做计算机的基本逻辑单元时,本质上是一样。二者的主要差别在于几何尺寸,而不是能否做并行加速计算。至于多个微观粒子具有的相干性和所谓的纠缠态,则可以用来对粒子进行操控,但这不是决定量子计算机能否进行加速运算的因素。

目前许多研究机构声称已经做出量子计算机,但都不是真正的利用了量子叠加态的计算机。他们只是利用微观粒子的两个分立状态做成的,与传统电子计算机在本质上是一样的计算机。这种计算机只是对传统电子计算机的模拟,差别在于不是用晶体管来做存储器,而是用原子或离子来做存储器。也就是说是用一个原子(或离子)在不同时刻的两个态来存储一个量子比特的信息01,而不是用一个原子(或离子)在同一时刻的两态来存储一个量子比特的信息。

比如,对于最简单的钙离子阱计算机,物理学家把钙离子置于离子阱中,用它基态和亚稳态编码一个量子位01。这两个态之间的跃迁频率为719纳米,需要用这个频率的激光脉冲来对离子进行操控。钙离子吸收一个719纳米的光子,从基态跃迁到亚稳态。 发射一个对应的光子,就跃迁回基态。因此一个钙离子不可能同时处于基态和激发态,也就不可能同时存储01。这一点与晶体管存储器是完全一样的,一个晶体管存储器也可以存储01,但不能同时存储01

 

物理学家声称,钙离子阱量子计算机已经实验成功,但这不是真实的。实际情况是,他们利用激光脉冲来对势阱内的钙离子进行操控,使之处于拉比震荡状态。在震荡过程中,某些离子在某时刻处于基态,某些离子在相同时刻处于激发态。或者在某时刻所有离子都处于基态,在另外一个时刻所有离子都处于激发态。其结果与晶体管电子计算机没有原则的差别,根本不是进行量子加速计算。

按照量子计算机理论,量子计算是并行计算,是一次性完成的。计算开始前,需要把所有微观粒子的单态都通过H逻辑门变成叠加态,然后一次性进行计算,得到全部结果。如果不是这样,就不可能达到2N次方数量级的加速,就不是量子计算机。

然而实际情况是,现在的量子计算机需要进行大量次数的运算。每次运算得到的都是一些统计性的结果。需要对这些结果进行识别、评估和修正,即所谓的纠错过程,然后再继续下一步的计算。这种加工过程与量子计算机的一次性计算根本就是两回事,哥本哈根解释说的波函数崩塌现象根本不存在。按照哥本哈根的测量理论,每次测量只能从2N次方结果中保留一个,其他都消失。但现有的量子计算机的实际情况是,每次测量的结果即不是一个,也不是2N次方个,而是以某种统计平均的方式出现。这样的结果恰恰说明量子力学的系综解释的正确性,即量子计算机的计算过程是一个统计过程,即没有量子加速性,也没有哥本哈根解释的波函数崩塌。

如果量子计算机真的利用了量子叠加态,其内部计算过程就是一个黑盒,在外界是不可探知的。因为据说波函数的崩塌过程是不可描述的,因而也就是不可观察的。然而实际情况不是这样。关于量子计算机计算过程的可观察性,李承平等的文章《量子计算机研究(上)》对IBM研究中心的核磁共振(NMR)量子计算机有这样的描述:

“值得指出的是,虽然根据量子力学原理,在量子计算过程中不允许外界‘窥探’量子位的状态,但由于基于NMR实现的量子计算机使用上述的射频脉冲,所以可以清晰地知道量子计算机内部的每个量子位演化的阶段。”

这段话的意思是,量子计算机内部的演化过程实际上是可以观察和预知的,因而仍然是经典的,不是真正的量子叠加态的演化。

早在2011年,加拿大量子计算公司D-Wave就正式宣布研究成功全球第一款商用型量子计算机"D-Wave One"。然而这个消息引起争议,瑞士和美国研究人员在《科学》杂志上发表论文说,他们对"D-Wave One"进行了测试,发现该量子计算机的整体计算性能并没有超过传统计算机,并没有观测到所谓“量子加速”现象。

在此之后,世界上不断有人声称研制成功量子计算机,但可以说没有一个是真的。20183月,美国谷歌宣布研究成功72比特的量子计算机Bristlecone。然而实际情况是,谷歌的量子计算机只是一种模拟量子电路处理器,其中根本没有利用到量子力学的态叠加原理。

事实上,目前所有声称的量子计算机都不可能是真正的量子计算机,因为都没有利用到单个微观粒子的叠加态。所有这些量子计算机充其量就是实现了对多个微观粒子的操控,或者说在多个微观粒子之间建立纠缠和关联。

需要再次强调的是,量子态纠缠与量子态叠加不是一个概念,但现在许多人把它们混为一谈。纠缠态涉及到多个粒子,其本质是微观粒子的不可分辨性,使其波函数具有全同对称性。对于单个粒子的两个态而言,是没有纠缠问题的。许多学者没有搞清楚这两个概念的区分,经常是张冠李戴,一谈到量子计算机,就扯到纠缠态。殊不知,决定量子计算机指数加速能力的,是单粒子波函数的叠加态,而不是多粒子波函数的纠缠态。

如果单个微观粒子的叠加态可以被利用,其后果是难以想象的。暂且不谈谷歌的量子计算机的计算能力,就说72个量子比特的存储器,它可以存储31020次方个传统比特的信息。这是一个什么概念呢?

我们知道,存储一本几十万汉字的书大约需要1百万传统比特的存储空间。一个普通大学的图书馆大约有1百万本书,需要1012次方个传统比特的存储空间。估计全世界大约有1万个这种规模的图书馆,存储所有的图书需要1016次方个传统比特的存储空间。如果量子叠加态能够被利用,72个量子比特的量子存储器就能够存储1万个地球的图书馆里所有的书。谷歌的这个量子计算机可能吗?别说1万个地球的图书馆的书,就先把1个图书馆的书存进去再说吧。

计算机的存储能力是决定其计算速度的关键因素之一。从原则上,量子计算机的并行计算是一次性完成的。这就需要足够强大的存储器,能一次性地存储计算过程中出现的所有数据。由于判断一台计算机是否有加速计算能力不是一件容易的事情,笔者提出一台计算机是真正的量子计算机的基本条件:

对于一台由N个微观粒子组成的计算机,如果它的存储器能够达到2N次方个经典比特的存储能力,就可能是真正的量子的计算机。如果达不到这个标准,就不是真正的量子计算机。

按照这种标准,至今世界上没有一台量子计算机是真正的量子计算机,只能称为原子计算机。因此任何人、任何机构在宣称研究成功量子计算机之前,请测试一下他们的量子存储器,看能不能达到2N次方经典比特的数量级。

也就是说,莫谈量子计算,你先把量子存储器做出来!

考虑到现有量子技术的不稳定,哪怕能成功存储1秒钟也成。如果达不到,就一切免谈。这个判据应当成为衡量一台计算机到底是不是量子计算机的最起码标准,其他标准都是非本质的。

按照目前的技术,电子计算机晶体管的尺寸已经接近达纳米的量级,即10的负9次方米。在这个尺度上,物质的量子效应已经开始出现。而原子的尺寸则在10的负10 次方米的量级,仅比经典计算机的逻辑元件小一个数量级。在可以预见的未来,电子计算机的元件还可以进一步缩小,原子计算机在尺度方面的优势就可以忽略不计。

从事量子计算机研究的人经常抱怨说,量子计算机极不稳定。为了维持一个量子比特的存在,需要几十甚至几百个经典比特的存储能力为其服务。实际上情况是,连这一个被维持的量子比特也是假的。主流的理论认为,这是由于环境的消相干作用,导致制造量子计算机的困难。但这些都不是量子计算机的关键问题,都是可以通过技术进步来改进的。单个微观粒子的量子波函数叠加不能被利用,这才是根本原因。量子计算机违背自然界事物的基本逻辑和物理学的基本规律,一切努力都是徒劳的。

如果单个微观粒子的叠加态不能被利用,就说明量子力学的哥本哈根解释是失败的。这关系到量子力学哥本哈根解释的生死存亡,哥本哈根迷雾将被驱散。量子计算机是一个试金石,可以真正用来了断爱因斯坦和玻尔关于量子力学本质的百年争论。而不是所谓的贝尔不等式是否成立,因为贝尔不等式的推导过程用的是经典统计规律,微观粒子本来就不服从经典统计规律,不成立是必然的。

量子计算机不可能成功,哥本哈根解释就没有立足之地,必定要让位与量子力学的系综解释。这对量子物理学本性的认识,会是一个重大的进步。

我们的结论是,计算技术的未来发展仍然寄希望于传统的电子计算机,科学管理机构和物理学家不应当白费精力,继续投入过量的努力进行量子计算机的研究。

更详细的论证请见今日头条和百度文库文章《量子计算机的指数加速不可能实现— 量子力学哥本哈根解释的错误导致量子计算机神话 ——》。

http://www.doc88.com/p-9866477704084.html

 

2018828


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