在解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題上，人們一向認(rèn)為量子計算(quantum computing)比傳統(tǒng)計算機(jī)更強(qiáng)大——至少對于非專業(yè)人士來說確實(shí)如此。然而，礙于現(xiàn)有技術(shù)的限制，這些理論一直未能被證實(shí)。現(xiàn)在，IBM研究科學(xué)家透過數(shù)學(xué)方式證實(shí)，量子計算在“處理某些特定問題”時確實(shí)比傳統(tǒng)計算機(jī)更快。

然而，關(guān)鍵就在于“特定”(certain)問題。IBM量子生態(tài)系統(tǒng)與策略副總裁Bob Sutor在與《EE Times》的電話采訪中表示，透過數(shù)學(xué)證據(jù)具體證明了量子計算機(jī)與傳統(tǒng)計算機(jī)在處理特定計算類型的差異。

“這項(xiàng)研究證實(shí)了量子計算機(jī)的速度更快——由于量子力學(xué)和量子計算的先天屬性，你會想在量子計算機(jī)上處理的任務(wù)或行為是不同的。量子計算明顯將會具有這方面的優(yōu)勢。”

Sutor說這項(xiàng)證據(jù)是一個極其重要的里程碑，因?yàn)樗鼘⒊蔀榻?gòu)量子計算機(jī)正式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)——包括它們?nèi)绾尉幋a、建構(gòu)以及圍繞著算法做出的選擇及其應(yīng)用方式。不過，它也提供了有關(guān)何時是選擇量子計算最佳使用時機(jī)或傳統(tǒng)計算是否仍然足夠等參考。

研究人員們在《科學(xué)》(Science)雜志的一篇文章——“量子的淺電路優(yōu)勢”(Quantum advantage with shallow circuits)中介紹這項(xiàng)數(shù)學(xué)證據(jù)。除了IBM Research的Sergey Bravyi，其他研究人員還包括加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)量子計算研究所的David Gosset、普林斯頓高等研究院(Institute for Advanced Study)的Robert König以及慕尼黑工業(yè)大學(xué)(Technische Universität München)的Zentrum Mathematik。

IBM科學(xué)家以數(shù)學(xué)方式證明，無論輸入數(shù)量如何增加，在量子計算機(jī)上處理某些特定問題時只需要固定的電路深度即可，而傳統(tǒng)計算機(jī)處理相同問題時則需要電路深度隨著輸入數(shù)增加而變大。

為了了解這項(xiàng)證據(jù)的重要性，更要緊的是知道量子計算中的基本計算單位是量子位(quantum bit; qubit)，它和傳統(tǒng)計算機(jī)位受限于0或1是不同的，因而能用于處理許多其他的數(shù)值。量子位的潛在計算能力每次都可經(jīng)由糾纏倍增，而量子位結(jié)合施加于其上的操作，一并被稱為電路。

量子位并非完美，因?yàn)槠溴e誤率較小，而且僅存在一段時間，之后將變得混亂。這即是所謂的同調(diào)時間(coherence time)，意味著在達(dá)到時間限制之前只能執(zhí)行哪些操作。所執(zhí)行的操作數(shù)量即是深度，而且量子電路的總深度是每個量子位的所有深度中之最小值。透過數(shù)學(xué)還證明，當(dāng)在量子計算機(jī)上處理時，某些特定問題只需要固定的電路深度，無論輸入的數(shù)量如何增加，而經(jīng)典計算機(jī)則要求電路深度必須隨輸入增加而變大，才能處理相同的問題。

這種有限的深度意味著IBM科學(xué)家最感興趣的是短深度電路可以用來做什么。因?yàn)槎躺疃入娐穼τ趯?shí)現(xiàn)量子算法相當(dāng)實(shí)用，而且證明了量子計算比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢。數(shù)學(xué)證據(jù)顯示，量子計算機(jī)在容錯方面做的比傳統(tǒng)計算機(jī)更好，但并不一定比所有的計算機(jī)更好。Sutor說：“有時我覺得這有點(diǎn)微妙。但這是一個非常重要的區(qū)別。”

他說，這項(xiàng)證據(jù)是第一個基本步驟，重要的是達(dá)到最后的期望——目前我們正處于量子計算的早期階段。“實(shí)際上，我們擁有50個量子位的原型。那是我們現(xiàn)在擁有最大的原型。”

Sutor希望破除業(yè)界的一種迷思——“量子加密末日啟示錄”(quantum crypto apocalypse)，因?yàn)檫@種迷思將會破壞網(wǎng)絡(luò)上的加密——它其實(shí)需要1億量子位。Sutor說：“到處都充滿著奇跡!”