高性能科學估算設備是現代電磁學、材料科學以及信息科學等高度發展的產物。量子熱學其實能否解釋諸多化學現象,但把量子觀念植入到科學估算中真的可行嗎?
一,量子比特---儲存的數據是不確定的
普通計算機儲存單元是比特,每位比特表示的要么是0,要么是1,它是一種確定型表示。量子計算機儲存單元是量子比特,每位量子比特表示的既可以是0,也可以是1,這是一種機率型表示。在物理上,一個量子比特表示二維空間的一個向量,兩個能級一般表示成
.一個2階的作用在單個量子比特上的變換須要用一矩陣來描述,作用在t個量子比特上的變換須要用
階矩陣來描述。當t超過32時,從整體上來描述這樣的矩陣早已非常困難了,必須借助子矩陣的張量積來描述作用在多個量子比特上的變換。
二,量子系統的合成方法---張量積
量子熱學覺得,兩個系統可以通過張量積合成一個新系統。一個系統不能分解成低維系統的張量積,則稱該系統是一個糾纏態。量子糾纏最初是愛因斯坦借助量子力學的物理描述引申下來的,并不是實驗中觀察到的現象。1935年,愛因斯坦等人提出了EPR思想實驗拿來指責量子熱學的完備性。
*EPR悖論(--Rosen)是E:愛因斯坦、P:波多爾斯基和R:羅森1935年為論證量子熱學的不完備性而提出的一個悖論。EPR是這三位化學學家姓氏的首字母簡寫。這一悖論涉及到怎樣理解微觀數學實在的問題。愛因斯坦等人覺得,假若一個數學理論對化學實在的描述是完備的,這么數學實在的每位要素都必須在其中有它的對應量,即完備性判據。當我們不對體系進行任何干擾,卻能確定地預言某個數學量的值時,必將存在著一個數學實在的要素對應于這個數學量,即實在性判據。她們覺得,量子熱學不滿足這種判據,所以是不完備的。EPR實在性判據包含著“定域性假定”,即若果檢測時兩個體系不再互相作用,這么對第一個體系所能做的無論哪些事,都不會使第二個體系發生任何實在的變化。人們一般把和這些定域要求相聯系的數學實在觀稱為定域實在論。
三,量子糾纏的起源---EPR思想實驗
兩個粒子A和B構成的系統處于狀態
,把兩個粒子分開(無論距離有多遠),觀察者對粒子A進行檢測,所得結果可能是|1>或|0>,機率都是1/2。依照奧斯陸學派的解釋,系統瞬時坍縮為|01>或|10>,因而粒子B就處于相應的|1>或|0>狀態。對粒子A檢測之前,B處于|1>或|0>狀態的機率都是1/2,
A被檢測后B只能處于某一種確定的狀態。
客觀實在性覺得力是改變物體運動狀態的誘因,是哪些力改變了B的狀態?根據赫爾辛基學派的解釋,這些力必須是瞬時作用的,超光速的。愛因斯坦深信客觀實在性,深信超光速是不可能的,這是奧斯陸學派的解釋與相對論矛盾的根源所在。
EPR思想實驗涉及到的理論包括:在物理方面有量子系統的描述方式(馮.諾依曼)和兩個量子系統的合成方法(約當);在化學方面有測不準原理(海森堡)和檢測對量子系統形成的影響--坍縮理論(玻爾、玻恩)。
四量子計算和量子通訊,貝爾不方程---確立量子糾纏的間接方式
1964年,Bell借助波姆等人關于EPR的隱參數描述誘導出所謂的Bell不方程。1981年,等人聲稱她們所做的實驗是違反Bell不方程的,因而支持了奧斯陸學派的解釋,覺得量子糾纏是客觀存在的。迄今,關于量子糾纏的實驗都是通過檢驗Bell不方程來確立的。
2011年9月22日,《自然》雜志刊載了日本格蘭薩索國家實驗室中微子實驗打破光速的報導。諾貝爾化學學獎獲得者Smoot在接受專訪時說:“我不相信這一推論,超光速是不可能的。”幾年后的明天早已極少有人再談論中微子超光速的發覺,該報導完全淪為一個笑談。至今,量子糾纏仍沒有獲得強有力的實驗證據,一直是有爭議的話題,無人由于此項工作獲得諾貝爾獎。
五,Shor量子算法---是耶非耶
1994年,Shor聲稱借助他設計的量子算法才能在方程時間內進行大數分解和求解離散對數。該算法提出后,導致了學術界與計算機工業界的廣泛關注。簡略地說,現有的私鑰密碼系統幾乎就會被破解。
驗證Shor算法的正確性須要多方面的知識,包括量子熱學、計算物理、數論、計算機科學等,因而在過去的20年中極少有人對該算法提出指責。近來,我們公布在Arxiv上的一篇論文強調,Shor算法中的量子模指數運算是錯誤的,Shor混淆了標量運算(模指數運算)和矢量運算(量子模指數運算)的差別。和在教科書中描述的量子模指數運算須要O(n^4)酉變換,其中n是待分解的大整數,即便,在方程時間內未能完成如此多的酉變換。
我們在Arxiv公布的另一篇指責Shor算法的論文手指出,Shor把一個條件機率誤當作聯合機率,實際上并不能得到方程時間的復雜度。有匿名人士聲稱,在Shor算法中引入更多的量子寄存器后,各個寄存器之間將會形成糾纏,因而得到相關的檢測結果。這些糾纏現象不能用現有的量子糾纏理論進行解釋,也未曾有人提到過這些現象。假如這些現象確實存在,將是一種新的宏觀量子效應。把Shor算法的復雜性寄寓在一個至今尚沒有實證的化學現象上,確實很倉促。我們早已把論文的預印本通過電子電郵發給了多位科研人員,包括Shor本人,但仍然沒有收到Shor本人的回復。
六、關于Shor算法的實驗---都是不真實的
從2001年起,先后有幾個學術團隊報道了Shor算法的實驗情況,聲稱成功地運用Shor算法把15分解為3×5.我們在論文剖析了這類實驗,強調這種實驗都是不真實的。根據Shor算法的描述,分解15時第一個量子寄存器起碼須要8個量子比特,多于這個數量,就難以完成最后階段的連分數展開運算,但這種實驗都遵守了這個條件。還需非常指明量子計算和量子通訊,2012年加洲學院團隊的實驗極其荒謬,該實驗共用了3個量子比特,而且3個量子比特難以表示0到14這15個余數,可見模數15本身根本就沒有參與所謂的量子運算。
七、商用量子計算機---發展平緩
Shor算法的誕生引起了量子計算機研發風潮,國際上一些知名的公司都組織了團隊研發量子計算機,例如、IBM等等。日本D-Wave公司專門從事量子計算機開發與生產,2011年,該公司宣布首臺商用量子計算機D-WaveI誕生,采用了128個量子比特處理器。2012年,推出D-WaveII,采用512個量子比特處理器。卷入D-Wave量子計算機風波的有:NASA、公司、馬丁公司等。但D-WaveII的估算能力遭到了廣泛的指責,與普通的計算機相比,沒有哪些顯著優勢[not,no,344(6190):1330-1331(2014)]。人們無法在公開的報導中發覺D-WaveII才能運行Shor算法。有一點是十分清楚的,D-Wave聲稱的量子計算機沒有觀察到量子糾纏。
八、理想的量子計算機---確認標準
學術界覺得,量子算法比普通算法的優勝之處就在于它的并行性,該特征歸功于量子糾纏,Shor算法向人們充分地展示了這一特性。因而,人們想像中的量子計算機必須才能有效地進行大整數分解,否則把再多的量子比特堆積在一起也無濟于事。能夠運行Shor算法早已成了劃分一臺機器是否是量子計算機的標準。但如果量子糾纏本身有待爭議,Shor算法又是錯誤的,這么工業界費盡心機制造下來的東東又怎樣來證明自己呢?
九、破解私鑰密碼---遙不可及
實際中使用的都是混和密碼體制,先用私鑰密碼(如RSA)來傳遞臨時秘鑰,再把臨時秘鑰作為對稱密碼系統(如AES)的秘鑰來加密文本。現有私鑰密碼體制基本上依賴于兩個物理困局:大數分解和離散對數。Shor算法聲稱在方程時間內除了能分解大整數,還能否求解離散對數。這也是Shor算法才能破解所有私鑰密碼體制的來歷。但二十多年來的量子估算理論發展及實踐是令人失望的,破解私鑰密碼依然遙不可及。
十、敵手的類型---主動與被動之分
在傳統的密碼學中,敵手分為兩種類型:被動型的敵手和主動型的敵手。在功擊一個密碼系統時,常常先監聽,獲得所有的通信訊號后再加以破譯,便于恢復出隱含在訊號中的信息,這些功擊稱之為被動型功擊。一個惡意的敵手會通過化學技術手段篡改或破壞通信訊號,便于誤導用戶或則促使用戶難以達成有效的通信,這些功擊稱之為主動型功擊。
十一、量子通信的實質---借助量子態來協商臨時秘鑰
量子通信研究源于和提出的BB84合同,該合同仍然被稱為量子秘鑰分發,實際上就是借助量子態來協商臨時秘鑰,得到的是普通的比特串,而不是個別人想像的量子比特串。這些別稱本身就是錯誤的,正確的別稱應當是量子秘鑰協商。她們沒有認識到秘鑰分發和秘鑰協商之間的差異,把一個簡單的密碼模型誤認成一個復雜的密碼模型。
秘鑰分發是把預先存在的一些秘鑰分發出去。秘鑰協商則是用戶之間通過信息交互商定一個共同的秘鑰,這個秘鑰事先并不存在。其實秘鑰分發比秘鑰協商更困難。她們的后繼者也沒有認識到這個錯誤,還很冒失地把量子秘鑰協商稱作量子秘鑰分享[Anote,of.Vol.8(3),2010,pp.451-456]。由此可見,好多從事量子通信研究的化學人士還缺少必要的密碼知識與通信知識。
十二、量子通信---本末倒置
量子通信從數學上剝奪了敵手泄露訊號的能力,敵手的監聽行為直接破壞了量子訊號,因而量子密碼學中的敵手都是主動型的敵手。有些人覺得在量子通信時一旦發覺了敵手就可以暫時中斷通信,等敵手消失時再恢復通信。這些看法是錯誤的。密碼學總是假定敵手仍然存在的,假如敵手消失了,這么任何密碼技術都是多余的。
通信的首要目的是穩定性,即接收方才能正確地恢復出發送方發送的訊號。傳統密碼學立足于信息安全,主要包括絕密性和認證。就絕密性而言,目的是制止敵手獲得潛藏在訊號中的信息,是一種智力手段。一個信息安全系統似乎不能從數學上消弱敵手泄露訊號的能力,而且還能從智力上保證敵手未能獲得潛藏在訊號中的信息,即信息安全與通信系統的穩定性是兼容的。
量子密碼學立足于訊號安全,從數學上剝奪了敵手泄露訊號的能力。在有敵手監聽的情況下,量子通信難以保證接收方獲得正確的訊號,也就是說訊號安全與通信系統的穩定性是不兼容的[on-WhichisMore,,.IACR2015:1251]。
量子通信的訊號安全是以犧牲通信的穩定性為代價的,有了敵手就干不成事的量子通信系統最終也只能淪為一個擺飾。
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