【四旋翼飞行器】76小时吃透四轴算法!史上最强软硬结合实战项目,👉戳此立抢👈

如何知道量子计算机是否已经完成了任何量子计算?

论智 2018-10-10 09:13 次阅读

Urmila Mahadev在研究生院学习了八年,最终独立解决了量子计算中最基本的问题之一:如何知道量子计算机是否已经完成了任何量子计算?

2017年春天,加州大学伯克利分校的博士研究生Urmila Mahadev突然发现自己成了他人眼中的倾佩对象。她解决了量子计算中的一个主要问题,结合之前发表的论文,她俨然已经成为学界一颗冉冉升起的新星。但28岁的她却放弃了毕业,甚至压根没有考虑过毕业。

这是她在伯克利研究生院求学的第七年——很久之前,大多数学生都已经不耐烦地毕业了。

Urmila Mahadev

早在五年前,她的目光就被一个与众不同的研究问题所吸引,Aaronson称之为“量子计算中你可以提出的最基本问题之一”,即:如果你要求量子计算机执行计算,那你该怎么判断它是否按指示执行了任务,甚至只是做了任何和量子计算有关的事?

现在这个问题即将远离学界。在过去的几年里,研究人员一直希望能把量子计算机用于科研,从研究黑洞周围的变化到大蛋白质折叠,量子计算带来的加速效果是指数级的。但是,一旦量子计算机真正执行了经典计算机无法做到的计算,那人类该怎么确保计算结果的可信度?

如果我们不相信经典计算机的结果,我们可以从头开始一步步验证,但量子系统是从根本上就抵制这种检查的。首先,它们的内部工作非常复杂:即便只用几百个量子比特(或“量子位”)写下计算机内部状态的描述,那也需要一个比整个可见宇宙更大的硬盘。

其次,即便我们以某种方式记下这个描述,它也是难以理解的。量子计算机的内部状态通常是许多不同的非量子“经典”状态的叠加,如“薛定谔的猫”。但是,一旦你测量了一个量子态,它就会坍缩成这些经典状态中的一个。也就是说,当看着量子计算机里的300个量子比特时,我们基本上只能看到300个经典比特——0和1。

“量子计算机非常强大,但它也非常隐秘。”

考虑到这些限制因素,计算机科学家们长期以来一直想知道量子计算机是否能提供一些“铁证”,证明自己已经完成某些计算。这也是量子计算和古典计算进行“对话”的桥梁。Mahadev被这个问题迷住是在她读研究生的第二年,在之后的几年里,她一直反复尝试验证方法,而在无数挫折中,她也展现了自己持久的耐心和决心。

经过多年努力,现在她终于让学界见证了她的成功。10月7日,计算机科学顶会FOCS 2018在法国巴黎正式召开,这是理论计算机科学最大的会议之一。在会上,Mahadev带来了论文Classical Verification of Quantum Computations,她提出了一种交互式协议,用密码学为量子计算这批野马安上了“马鞍”。她的作品被授予会议“最佳论文”和“最佳学生论文”奖,这是理论计算机科学家难得的荣誉。

一条漫长的道路

Mahadev在洛杉矶的一个医生家庭长大,出于对成为医生的抵触心理,她在南加州大学求学期间听了RSA加密算法的创造者之一、计算机科学家Leonard Adleman教授的课程,并把专业改成了理论计算机科学。直到在向伯克利研究生院递交申请之前,量子计算于她都是最陌生、最不了解的事情。

但是,到了伯克利,一切就完全不同了。她的博士生导师Umesh Vazirani向她介绍了一个问题:找到一个验证量子计算的协议。这个问题彻底激发了她的学术热情。

有一个基础事实是,也许量子计算机可以解决经典计算机无法解决的问题,但它的解决方案不一定是难以验证的。比如分解大数字,这是个经典计算机无法计算而量子计算机可以高效解决的任务。虽然无法计算,可验证量子计算机的因子分解是否正确对经验计算机来说很容易——它只需要将这些因子相乘,看看它们是否能产生正确的答案。

然而,计算机科学家认为量子计算机可以解决的许多问题不具备上述特征。换句话说,经典计算机不仅无法解决它们,甚至也识别不了解决方案是否正确。鉴于此,2004年的时候,物理学家Daniel Gottesman把“量子验证”这个问题抛给学界。

问题提出的四年内,一些量子计算研究人员得到了部分答案。两个不同的团队证实确实存在一种能证明已经完成量子计算的方法,他们的一个关键想法是利用交互性证明,即给定一定的计算,使得设备(以下称为“证明者”)具有执行计算的能力,但是另一个实体(以下称为“验证者”)不具有。假设证明者是不受信任的,也可能会欺骗验证者,我们要找出一种方法,让验证者从证明者手中拿到高度可信的正确答案。

这个框架起源于20世纪90年代的复杂性理论。其中最简单的方法是验证者可以自己执行验证计算,直接检查证明者的结果。第二种方法是验证者无法执行计算,但证明者可以提供一个简短的“证据”,再由前者完全证明结果。交互式证明是一种协议,通过该协议,验证者可以和更强大但不可信的证明者进行交互。

在Mahadev的成果出现之前,学界通过引入交互式模型,允许验证者使用非常有限的量子计算机,在“量子验证”这个问题上取得了一定进展。简而言之,如果采用上述第一种方法,就是让验证者具备在它选择的两个可能的基础中准备单个量子比特的能力,一次一个,由它把量子比特发送给证明者;如果采用第二种方法,就是让验证者可以一次一个地从证明者处接收单个量子比特,并在它选择的两个基础之一中对它们进行验证。

一般情况下,这两种方法都能验证任意多项式时间量子计算,而其中的重点是验证者准备量子比特的能力,使证明者可以检测到“证据”与预先确定的“诚实行为”是否存在偏差。

但问题依然存在:十年了,对于量子计算机这个“证明者”,我们能否找到一个完全经典的“验证者”?

2012年,包括Vazirani在内的一组研究人员表明,如果一个量子计算机是由一对无法相互通信的量子计算机执行的,那么一个完全经典的验证器可以检查量子计算。虽然这篇论文只讨论了某种特定状态,但它给Mahadev带来了启发:是否能找到一个“无条件”的结果,一个不假设量子计算机能做什么或不做什么的结果。

进行了一段没有进展的研究后,这对师生把目光转向了密码学(各自研究不同的问题)。由于大规模量子计算机在未来可能会出现,密码学领域为了开发可抵抗量子攻击的密码架构,提出了一种名为“后量子密码学”的研究。2016年,他们和OpenAI的计算机科学家Paul Christiano达成合作,共同开发了一种利用密码学方法让量子计算机构建“secret state”(秘密状态,)的方法。

所谓秘密状态,就是一种已为人知的经典验证者,但它不是量子计算机本身。

他们的程序依赖于所谓的“trapdoor”函数——一个易于执行但难以反转的函数,除非你有加密密钥。这个函数需要“二对一”,也就是每个输出对应两个不同的输入。有了它,我们就能用“trapdoor”函数创建秘密状态——首先,要求计算机建立一个函数所有可能输入的叠加;其次,让计算机将该函数应用于此巨型叠加,创建一个新状态,该状态是函数的所有可能输出的叠加。这时输入和输出叠加将被纠缠,这意味着对其中一个进行验证会立即影响另一个。

这之后,我们就能要求计算机检查输出状态并汇报结果,它在检查时可以把输出状态折叠成一个可能的输出,由于输入输出是纠缠的,这时输入也会被折叠。

2017年,Mahadev解决的那个量子计算主要问题就是提出构建“trapdoor”函数的加密方法:Learning With Errors(LWE)。她本可以凭借这个成果毕业,但面对还没有解决的“量子验证”难题,她表示:

我从未想过毕业,因为我的目标从未毕业。

尘埃终落定

还是那个问题:是否存在一个完全经典的验证者。

从交互性证明到秘密状态,Mahadev已经试遍了所有方法,有一段时间,她甚至感到走投无路。但上天还是眷顾她的,一次,她突然萌生了一个新想法:研究人员已经证实,如果验证者能够检查量子比特,那么它也可以检查量子计算机。根据定义,经典验证者不具备这种能力,但是如果经典验证者能以某种方式迫使量子计算机自己执行检查并诚实地报告呢?

这个问题的难点是让量子计算机承诺在验证者检查之前,自己知道对方要测量的状态,Mahadev将其称为量子比特承诺问题。假设证明者声称准备了一个选择的单量子比特状态|φ>(验证者不知道),验证者向证明者询问执行|φ>测量的结果。无论是在计算基础上(Pauli Z的本征基础),还是在Hadamard基础上(Pauli X的本征基础),是否存在一种协议,保证在协议结束时,验证者能够产生与所选基础中的测量结果相匹配的结果?

这个新协议具有以下属性。首先,正如预期的那样,对于任何量子计算,都有一个量子证明者可以使经典验证者相信计算结果的正确性,此属性称为协议的完整性。其次,没有证据可以说服经典验证者接受错误的结果,此属性称为协议的健全性。在Mahadev的结果中,后者的属性有一个转折点:如果证明者不能破坏后量子加密(LWE),那么稳健性就会保持不变。

该协议对LWE的依赖使得Mahadev的成果具有双赢的风格。量子计算机愚弄协议的唯一方法是量子计算世界中能有人想出如何破解LWE。但目前,LWE被广泛认为是后量子密码学的主要候选者,它可能很快就会取代其他可能会被量子计算机破解的标准,被国家标准与技术研究所采用作为其新的加密标准。破解难度可想而知。

在未来几年内,Mahadev的协议暂时还不太可能被部署进真正的量子计算机中,因为协议所需算力太高了。根据专家推测,具体数字应该至少会是5年。但现如今的科学发展是日新月异的,曾经我们认为有些难题可能需要几十年才能解决,但它们纷纷只用一两年就搞定了。

随着量子计算机规模的扩大和协议的不断简化,相信我们会尽快看到这个理论成果落地的那一天。

原文标题:研究生解决量子验证:如何判断量子计算机是否已完成量子计算?

文章出处:【微信号:jqr_AI,微信公众号:论智】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

世界信息领域2018年发展态势,世界信息领域2019年趋势展望

全球网络安全威胁升级,各国不断强化网络安全战略。当前,网络攻击形式多变,攻击能力不断提升。勒索病毒A....
的头像 全球技术地图 发表于 02-15 15:16 525次 阅读
世界信息领域2018年发展态势,世界信息领域2019年趋势展望

中国再次攻克世界级难题,领先美国15年!

实际上,量子计算的概念从提出至今已有39年,当时俄罗斯数学家只是提出了一个模糊的概念,在该轮廓下陆续....
的头像 传感器技术 发表于 02-15 14:49 222次 阅读
中国再次攻克世界级难题,领先美国15年!

特朗普承诺立法投资未来的前沿产业

在当天上午的国情咨文讲话中,美国总统特朗普承诺立法投资“未来的前沿产业”。这次演讲似乎都是在是回顾过....
的头像 芯智讯 发表于 02-13 16:16 303次 阅读
特朗普承诺立法投资未来的前沿产业

量子霸权争夺战:美国欲实现量子技术全方位发展

世界经济和军事格局很可能就此改变。
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 02-12 09:51 450次 阅读
量子霸权争夺战:美国欲实现量子技术全方位发展

清华大学完成量子计算机生成对抗算法

机器学习正在变得越来越强大,其中很大程度上归功于一种使 AI 互相对抗的算法。
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 02-11 10:26 516次 阅读
清华大学完成量子计算机生成对抗算法

量子计算还有多远的路要走

荷兰研究人员概述了一个由量子连接的量子计算机全球网络的六个发展阶段,并指出我们目前正处于最底层的阶段....
的头像 全球技术地图 发表于 02-02 14:32 287次 阅读
量子计算还有多远的路要走

俄罗斯开发出首个量子计算机电源 质量不亚于国外同类产品

量子计算机不能使用普通电源,因为这种计算机可能将电流性能的微小变化视为被处理信息的变化,并给出错误的....
发表于 01-30 14:26 62次 阅读
俄罗斯开发出首个量子计算机电源 质量不亚于国外同类产品

超导量子电路中量子生成对抗学习的原理证明及实验演示

接下来的过程就与普通的生成对抗网络 (GAN) 一样,生成器G不断生成虚拟数据ρ,然后鉴别器D则不断....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 01-29 11:02 658次 阅读
超导量子电路中量子生成对抗学习的原理证明及实验演示

量子机器学习的新里程碑!

接下来的过程就与普通的生成对抗网络 (GAN) 一样,生成器G不断生成虚拟数据ρ,然后鉴别器D则不断....
的头像 新智元 发表于 01-29 09:13 502次 阅读
量子机器学习的新里程碑!

探析Gartner2019年度十大技术发展趋势

当前,企业面临的最大挑战是数字化转型,为更好运用数字化技术,帮助企业改变商业模式,在市场中赢得竞争优....
的头像 智能制造 发表于 01-23 14:02 412次 阅读
探析Gartner2019年度十大技术发展趋势

量子时代该如何加密?密码在算力前都将失效

密码与战争有着密不可分的关系,通常战争的输赢取决于对信息的保密情况。战争中的一方将自己所传的信息伪装....
的头像 独爱72H 发表于 01-21 11:27 568次 阅读
量子时代该如何加密?密码在算力前都将失效

潘建伟:探讨他的研究成果以及量子信息科技的发展前景

量子互联网涉及许多理论和技术。对于为全球安全通信建立量子互联网的短期目标,我们将不得不考虑现实设备的....
的头像 C114通信网 发表于 01-17 10:03 358次 阅读
潘建伟:探讨他的研究成果以及量子信息科技的发展前景

2018的量子计算是怎么跟AI一起两开花的 本文告诉你答案

回首刚刚过去的2018,如果让我回答一个“科技产业怎么看”的问题。那答案应该是这样的:上看AI,下看....
发表于 01-15 10:16 115次 阅读
2018的量子计算是怎么跟AI一起两开花的 本文告诉你答案

目光锁定2019CES,看看今年会有什么不一样

LG 在去年的 CES 展示了一个采用柔性 OLED 屏技术的可卷曲(rollable)电视概念机,....
的头像 机器人大讲堂 发表于 01-14 15:45 753次 阅读
目光锁定2019CES,看看今年会有什么不一样

姚期智细数了量子计算的历史,并表达了他对该领域未来发展的看法

量子计算是一个典型的跨学科领域,需要相关领域的科学家与工程师密切合作,尤其是量子物理学家与计算机科学....
的头像 工业4俱乐部 发表于 01-14 09:39 770次 阅读
姚期智细数了量子计算的历史,并表达了他对该领域未来发展的看法

IBM展示了其最新的量子计算机IBMQ SystemOne的模型

漫步者TWS5真无线蓝牙耳机采用了分离式设计,首次采用高通QCC3026芯片组,能带来良好的射频表现....
的头像 科技美学 发表于 01-12 11:31 1019次 阅读
IBM展示了其最新的量子计算机IBMQ SystemOne的模型

遇见未来的先导活动 量子计算机问世

每年1月份在拉斯维加斯举行的CES消费电子产品展,是令全球所有科技迷都向往的盛会。1月6日-16日,....
的头像 吴晓波频道 发表于 01-11 14:33 853次 阅读
遇见未来的先导活动 量子计算机问世

区块链系统中采用密码学技术是否存在安全威胁

量子计算与区块链是当下两个热门技术,二者因为密码学技术联系在一起。区块链使用密码学技术保障系统安全,....
发表于 01-10 14:51 53次 阅读
区块链系统中采用密码学技术是否存在安全威胁

IBM发布全球首个集成通用近似量子计算系统

美东时间1月8日,IBM在2019年国际消费电子展(CES)上宣布推出IBM Q System On....
的头像 IBM中国 发表于 01-10 14:25 650次 阅读
IBM发布全球首个集成通用近似量子计算系统

2019年CES展上有没有让人眼前一亮的新产品

1月8日,2019年国际消费电子展(CES)开幕,搜集了一下信息,感觉没有让人眼前一亮的新产品。
的头像 许永硕 发表于 01-10 14:16 371次 阅读
2019年CES展上有没有让人眼前一亮的新产品

IBM已开发第一台独立的量子计算机

IBM在CES首次公开了这一名为IBM Q System One的系统。
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 01-10 09:03 527次 阅读
IBM已开发第一台独立的量子计算机

IBM宣布推出全球首台量子计算一体机:IBM Q System One

“这是 IBM 为市场带来的独一无二的东西,没有其他人这样做。我们知道如何做集成系统,”IBM 量子....
的头像 新智元 发表于 01-10 08:53 1000次 阅读
IBM宣布推出全球首台量子计算一体机:IBM Q System One

IBM将展出全球首台量子计算一体机:封在玻璃盒里如珠宝

今年的CES展上,IBM将把整个量子计算系统集成到一个棱长为9英尺(约2.74米)的立方体玻璃盒中,....
发表于 01-09 10:18 203次 阅读
IBM将展出全球首台量子计算一体机:封在玻璃盒里如珠宝

IBM已开发出全球唯一的一台独立量子计算机

量子计算机,顾名思义,即采用量子力学的能力处理计算,其计算能力之大足以让今天的计算机悉数成为历史。然....
发表于 01-09 09:42 243次 阅读
IBM已开发出全球唯一的一台独立量子计算机

2018年数学和计算机科学领域发生了哪些重大事件?

秩是曲线的一组有理解(可以用分数表示的解)的复杂性的度量。虽然没有证明曲线的等级有多高的极限,但是数....
的头像 新智元 发表于 01-02 09:33 1131次 阅读
2018年数学和计算机科学领域发生了哪些重大事件?

量子计算正在迎来飞速发展的时代

毫无疑问,量子计算是属于未来的技术,按照中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心的成员张文卓的话说:....
的头像 39度创意研究所 发表于 12-29 10:20 566次 阅读
量子计算正在迎来飞速发展的时代

量子计算是如何确保区块链交易安全的

新西兰惠灵顿维多利亚大学的两位研究人员已经开发出了他们自己的量子区块链概念,该概念在理论上可以防止任....
发表于 12-28 14:39 758次 阅读
量子计算是如何确保区块链交易安全的

量子计算机何时会发展成熟 量子计算机未来前景分析

量子计算机何时会发展成熟,并具有实用商业价值?最近,国外的一些研究指出,答案并不乐观。这给当前许多炒....
的头像 科工力量 发表于 12-27 17:51 1270次 阅读
量子计算机何时会发展成熟 量子计算机未来前景分析

区块链产品需要使用后量子密码算法来提高安全性

量子算法打败了经典计算机不仅是因为它们在更快的硬件上运行,而且还因为它们在量子机械数学需要较少的步骤....
发表于 12-27 15:56 115次 阅读
区块链产品需要使用后量子密码算法来提高安全性

重磅!中科大研制出自主研发知识产权量子计算机控制系统

近日,在位于中国科学技术大学的中科院量子信息重点实验室里,数名研究人员正操作一台20寸行李箱大小的仪....
发表于 12-26 09:22 1635次 阅读
重磅!中科大研制出自主研发知识产权量子计算机控制系统

首款国产量子计算机控制系统诞生 我国量子计算发展又向前走了一步

量子计算这一概念最早是物理学费曼于1981年引入,随着当前半导体的小型化遇到极限,当芯片的电路元件尺....
发表于 12-25 15:16 700次 阅读
首款国产量子计算机控制系统诞生 我国量子计算发展又向前走了一步

我国预计2020年实现“量子霸权”

中科大基于对半导体及超导量子比特的长期研究,成功研制出一套精简、高效的量子计算机控制系统。
的头像 MEMS 发表于 12-24 13:56 932次 阅读
我国预计2020年实现“量子霸权”

盘点全球量子信息技术科研、应用到产业发展现状

近年来我国量子保密通信应用规模和产业发展处于领先,量子计算和量子测量领域的研究与应用水平与美欧相比仍....
的头像 C114通信网 发表于 12-24 08:42 833次 阅读
盘点全球量子信息技术科研、应用到产业发展现状

十八岁天才携手Seth Lloyd颠覆量子计算

今年 8 月,刚刚年满 18 岁的 Ewin Tang 证明了经典算法能以和量子计算机相近的速度解决....
的头像 人工智能学家 发表于 12-23 13:39 721次 阅读
十八岁天才携手Seth Lloyd颠覆量子计算

美国会通过法案:加快美国在量子计算领域的研究进展

这项新兴科技可以促进医药学、气候研究、制造业和交通业的发展。但是大家更多关注的还是量子计算在开发更加....
的头像 ICChina 发表于 12-22 11:32 618次 阅读
美国会通过法案:加快美国在量子计算领域的研究进展

区块链技术将如何应对量子计算的威胁

如果数字传输没有加密,它就容易受到外部威胁的攻击。例如,如果您在连接到公共wi-fi热点时在一个不安....
发表于 12-19 11:16 320次 阅读
区块链技术将如何应对量子计算的威胁

为什么量子计算在区块链平台中如此重要

在深入研究量子位、叠加和量子门之前,让我们先来看看当今计算机的内部工作原理。实质上,计算机芯片是由许....
发表于 12-18 13:34 73次 阅读
为什么量子计算在区块链平台中如此重要

量子计算如何恢复和保证数字货币交易的不可变性

量子计算并不是什么新事物,我们已经谈论它几十年了,但是我们现在正在见证这种技术从理论到实现的转变。量....
发表于 12-18 11:22 183次 阅读
量子计算如何恢复和保证数字货币交易的不可变性

量子计算机在人工智能研究领域中的巨大潜力

人工智能研究的突破依赖于更强大的计算机和更高效的算法,基于量子并行原理的量子计算机提供了一种与经典超....
的头像 新智元 发表于 12-16 09:52 700次 阅读
量子计算机在人工智能研究领域中的巨大潜力

微软凭什么赢得美国陆军的订单?这个订单于AR产业有什么启示意义?

苏波表示,十万台的订单对于VR/AR产业是一个标志性事件,也印证了他在2014年所作的判断:即革命性....
的头像 AR工业应用 发表于 12-11 16:53 1757次 阅读
微软凭什么赢得美国陆军的订单?这个订单于AR产业有什么启示意义?

量子计算何时才能落地

美国方面称,它对这项复杂的技术何时真正大有用武之地毫无头绪。
的头像 人工智能学家 发表于 12-10 14:16 605次 阅读
量子计算何时才能落地

IT行业最基本的科学技术发展前景

今天人工智能要做的事情,整个人类所有计算的事情最终能转化为优化的问题,很多的可能性,我们要找到最佳的....
的头像 山东省物联网协会 发表于 12-10 09:41 896次 阅读
IT行业最基本的科学技术发展前景

美国国家科学院、工程院和医学院发布了关于量子计算前景的报告

委员会特别说明了在创造一个自我加强的技术进步周期——它通向商业应用,进而带来私营部门投资和进一步的技....
的头像 IEEE电气电子工程师学会 发表于 12-08 10:30 967次 阅读
美国国家科学院、工程院和医学院发布了关于量子计算前景的报告

量子计算机是否真的能瓦解区块链

在“击破论”支持者看来,量子计算机可能会对这两道安全防线产生巨大威胁。未来,量子计算机能很快破解哈希....
发表于 12-07 14:05 214次 阅读
量子计算机是否真的能瓦解区块链

量子加密技术竞争加剧 中国目前领先

据报道,高通拥有推动5G商用的独特优势,骁龙855移动平台、骁龙X50 5G调制解调器系列、以及集成....
的头像 电子发烧友网 发表于 12-07 09:49 942次 阅读
量子加密技术竞争加剧 中国目前领先

Oxford HighQ有望实现量子计算技术元器件商业化

据麦姆斯咨询报道,诞生于牛津大学的一家初创公司Oxford HighQ有望实现量子计算技术元器件的商....
的头像 微流控 发表于 11-30 17:01 620次 阅读
Oxford HighQ有望实现量子计算技术元器件商业化

中国正在发展自己的机器人产业,中国博士毕业生不再需要出国“镀金”

陈国强表示,近年来,中国科学家的收入增长迅速,已经与美国同行的薪酬水平大致相同,有时甚至更高。在清华....
的头像 悟空智能科技 发表于 11-29 17:05 779次 阅读
中国正在发展自己的机器人产业,中国博士毕业生不再需要出国“镀金”

美国商务部针对关键新兴基础技术的出口管制框架意见

保护美国科技领先地位和战略性科技资源已经成为特朗普政府的重大国家安全关切之一,此次丰富出口管制名单是....
的头像 半导体观察IC 发表于 11-26 17:34 1602次 阅读
美国商务部针对关键新兴基础技术的出口管制框架意见