在近日的美國(guó)物理學(xué)會(huì)上，Goggle實(shí)驗(yàn)室的公布了***一代量子處理器Bristlecone，Bristlecone是一款72位量子位處理器，錯(cuò)誤率只有1%。這款處理器不僅能夠幫助科學(xué)家們進(jìn)行量子模擬的探索，還能夠在量子機(jī)器學(xué)習(xí)上有所應(yīng)用。

最為重要的是，Google實(shí)驗(yàn)室謹(jǐn)慎且樂(lè)觀的認(rèn)為：如果一切運(yùn)行良好的話(huà)，量子霸權(quán)將在未來(lái)幾個(gè)月到來(lái)。

為何我們需要量子計(jì)算機(jī)

按照摩爾定律，計(jì)算機(jī)的計(jì)算力將永遠(yuǎn)增長(zhǎng)，但事實(shí)并非如此。

隨著工藝的提升，CPU的工藝在納米級(jí)上越來(lái)越小，它有可就會(huì)變成一個(gè)原子大小，而任何納米管和傳統(tǒng)工藝都將對(duì)此毫無(wú)辦法。此外晶體管數(shù)量的增加會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，晶體管之間的漏電情況加劇，影響晶體管的正常工作，同時(shí)芯片會(huì)消耗更多的電力，產(chǎn)生更多的熱量。

晶體管增長(zhǎng)（圖源：維基百科）

聰明的你可能會(huì)想到，為什么不增大CPU的面積以放下更多的晶體管呢？事實(shí)是，更大的表面積在帶來(lái)更好散熱效果的同時(shí)，也需要更大的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，適得其反。

在算法上，經(jīng)典計(jì)算機(jī)也存在著局限性：經(jīng)典計(jì)算機(jī)在運(yùn)算時(shí)只有“0"、“1”兩種狀態(tài)，這種運(yùn)算方式計(jì)算常規(guī)數(shù)學(xué)模型上不會(huì)有任何問(wèn)題，但遇到了一些特定場(chǎng)景上就無(wú)能為力了。比如化學(xué)反應(yīng)中的分子的變化，每個(gè)分子的變化都會(huì)影響到其它分子，它們的變化規(guī)律不是0.1.2.3.4.5，而是同時(shí)從0變成了5，運(yùn)算量呈指數(shù)爆炸級(jí)增長(zhǎng)。

所以說(shuō)經(jīng)典計(jì)算機(jī)面臨危機(jī)是必然的，人類(lèi)世界日益增長(zhǎng)的計(jì)算需求與落后的計(jì)算能力之間的矛盾也勢(shì)必變得越來(lái)越突出，量子計(jì)算機(jī)也成了各大科技公司必爭(zhēng)之地。

Google量子計(jì)算機(jī)偉大之處

量子計(jì)算機(jī)的原理解釋起來(lái)相當(dāng)困難，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在量子信息中有一個(gè)名詞叫“量子比特”，量子比特可以制備在兩個(gè)邏輯狀態(tài)的疊加體，它可以同時(shí)存儲(chǔ)“0”"1"。如果是N個(gè)量子比特，理論上可以同時(shí)存儲(chǔ)2^ N的數(shù)據(jù)。比如250個(gè)量子比特可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就是2^ 250，這個(gè)數(shù)字比已知宇宙所有原子加起來(lái)還要多。

量子計(jì)算機(jī)在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，可以同時(shí)計(jì)算2^ N的數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)要重復(fù)2^ N的計(jì)算，由此可見(jiàn)，量子計(jì)算機(jī)可以節(jié)約大量的時(shí)間和計(jì)算單元。

那么同樣是量子計(jì)算機(jī)，為什么這次Bristlecone如此引人矚目？這里面有必要科普一下量子霸權(quán)（又稱(chēng)量子優(yōu)越性），即50量子比特的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于現(xiàn)在的任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。達(dá)到量子霸權(quán)才算真正意義的量子計(jì)算機(jī)。

錯(cuò)誤率和量子比特的關(guān)系

我們知道量子的狀態(tài)是非常不穩(wěn)定的，所以?xún)H有50個(gè)量子比特是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)榱孔颖忍氐牧孔蛹m纏會(huì)出錯(cuò)，只有足夠多的量子比特和低的錯(cuò)誤率才能實(shí)現(xiàn)真正意義的量子霸權(quán)。根據(jù)Google的說(shuō)法，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤率低于1%，數(shù)量接近100個(gè)量子比特時(shí)就才可以達(dá)到量子霸權(quán)。

左圖為Bristlecone，右圖為量子比特結(jié)構(gòu)

目前來(lái)看，在錯(cuò)誤率上，谷歌在72位量子計(jì)算機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，單量子比特門(mén)為0.1%，雙量子比特門(mén)為0.6%，無(wú)論是量子比特的數(shù)量還是錯(cuò)誤率，Google再次領(lǐng)先全世界，接下來(lái)就看IBM和微軟的了。

量子計(jì)算機(jī)可輕易破解比特幣

目前量子計(jì)算機(jī)只在科研領(lǐng)域有所應(yīng)用，但如果真如Google實(shí)驗(yàn)室所言，Bristlecone能達(dá)到量子霸權(quán)，那么比特幣等基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬貨幣可能將被破解。

我們知道礦工挖礦就是使用SHA-256哈希函數(shù)為每個(gè)區(qū)塊計(jì)算一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這個(gè)過(guò)程所得到的結(jié)果非常容易被驗(yàn)證，但是很難被找到。

而就像上面所說(shuō)，比特幣的規(guī)定是處理得更多的那個(gè)區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈，另一個(gè)區(qū)塊則作廢。舉個(gè)例子，這就像于在一個(gè)賬簿里有51個(gè)人說(shuō)你在銀行存了100塊錢(qián)，而49個(gè)人說(shuō)你存了50塊錢(qián)，這種情況下，區(qū)塊鏈算法少數(shù)服從多數(shù)，銀行認(rèn)為你存了100塊錢(qián)是真，存了50塊錢(qián)是假。

所以一旦一位礦工擁有51%的算力，其他后續(xù)礦工將無(wú)法繼續(xù)獲得比特幣。

未來(lái)隨著量子計(jì)算機(jī)量子比特的增長(zhǎng)，區(qū)塊鏈采用的非對(duì)稱(chēng)密碼算法，即公鑰密碼系統(tǒng)也會(huì)受到更大的威脅。

通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)，可以很容易地反過(guò)來(lái)運(yùn)行用公鑰推定私鑰的過(guò)程，每個(gè)人的私鑰都會(huì)被量子計(jì)算機(jī)輕易地推斷出來(lái)。外媒Motherboard認(rèn)為一個(gè)4000量子比特的量子計(jì)算機(jī)就可以瓦解區(qū)塊鏈，也就是說(shuō)哪個(gè)人或團(tuán)隊(duì)先做出并應(yīng)用這樣的量子計(jì)算機(jī)就可以解出并驗(yàn)證每一筆交易，未來(lái)會(huì)產(chǎn)生的還未流通的所有加密貨幣都會(huì)被其壟斷，加密貨幣的信任系統(tǒng)將被瓦解。

嚴(yán)格意義上講，量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世會(huì)威脅到現(xiàn)有體系所有的加密學(xué)，將改寫(xiě)整個(gè)金融和銀行業(yè)的安全防護(hù)。

當(dāng)然，需要補(bǔ)充一點(diǎn)的是，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)能否取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)的問(wèn)題，很多科學(xué)家對(duì)此都表示否定。因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的計(jì)算特點(diǎn)決定了它只能應(yīng)用在少部分領(lǐng)域中，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)的工作范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)量子計(jì)算機(jī)。

***提醒區(qū)塊鏈技術(shù)開(kāi)發(fā)者，雖然現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)仍然處于萌芽時(shí)期，達(dá)到技術(shù)成熟還有很遠(yuǎn)，但是各位要從現(xiàn)在開(kāi)始警惕量子計(jì)算機(jī)這個(gè)怪獸了，它將顛覆世界。