高性能科学估算设备是现代电磁学、材料科学以及信息科学等高度发展的产物。量子热学其实能否解释诸多化学现象,但把量子观念植入到科学估算中真的可行吗?
一,量子比特---储存的数据是不确定的
普通计算机储存单元是比特,每位比特表示的要么是0,要么是1,它是一种确定型表示。量子计算机储存单元是量子比特,每位量子比特表示的既可以是0,也可以是1,这是一种机率型表示。在物理上,一个量子比特表示二维空间的一个向量,两个能级一般表示成
.一个2阶的作用在单个量子比特上的变换须要用一矩阵来描述,作用在t个量子比特上的变换须要用
阶矩阵来描述。当t超过32时,从整体上来描述这样的矩阵早已非常困难了,必须借助子矩阵的张量积来描述作用在多个量子比特上的变换。
二,量子系统的合成方法---张量积
量子热学觉得,两个系统可以通过张量积合成一个新系统。一个系统不能分解成低维系统的张量积,则称该系统是一个纠缠态。量子纠缠最初是爱因斯坦借助量子力学的物理描述引申下来的,并不是实验中观察到的现象。1935年,爱因斯坦等人提出了EPR思想实验拿来指责量子热学的完备性。
*EPR悖论(--Rosen)是E:爱因斯坦、P:波多尔斯基和R:罗森1935年为论证量子热学的不完备性而提出的一个悖论。EPR是这三位化学学家姓氏的首字母简写。这一悖论涉及到怎样理解微观数学实在的问题。爱因斯坦等人觉得,假若一个数学理论对化学实在的描述是完备的,这么数学实在的每位要素都必须在其中有它的对应量,即完备性判据。当我们不对体系进行任何干扰,却能确定地预言某个数学量的值时,必将存在着一个数学实在的要素对应于这个数学量,即实在性判据。她们觉得,量子热学不满足这种判据,所以是不完备的。EPR实在性判据包含着“定域性假定”,即若果检测时两个体系不再互相作用,这么对第一个体系所能做的无论哪些事,都不会使第二个体系发生任何实在的变化。人们一般把和这些定域要求相联系的数学实在观称为定域实在论。
三,量子纠缠的起源---EPR思想实验
两个粒子A和B构成的系统处于状态
,把两个粒子分开(无论距离有多远),观察者对粒子A进行检测,所得结果可能是|1>或|0>,机率都是1/2。依照奥斯陆学派的解释,系统瞬时坍缩为|01>或|10>,因而粒子B就处于相应的|1>或|0>状态。对粒子A检测之前,B处于|1>或|0>状态的机率都是1/2,
A被检测后B只能处于某一种确定的状态。
客观实在性觉得力是改变物体运动状态的诱因,是哪些力改变了B的状态?根据赫尔辛基学派的解释,这些力必须是瞬时作用的,超光速的。爱因斯坦深信客观实在性,深信超光速是不可能的,这是奥斯陆学派的解释与相对论矛盾的根源所在。
EPR思想实验涉及到的理论包括:在物理方面有量子系统的描述方式(冯.诺依曼)和两个量子系统的合成方法(约当);在化学方面有测不准原理(海森堡)和检测对量子系统形成的影响--坍缩理论(玻尔、玻恩)。
四量子计算和量子通讯,贝尔不方程---确立量子纠缠的间接方式
1964年,Bell借助波姆等人关于EPR的隐参数描述诱导出所谓的Bell不方程。1981年,等人声称她们所做的实验是违反Bell不方程的,因而支持了奥斯陆学派的解释,觉得量子纠缠是客观存在的。迄今,关于量子纠缠的实验都是通过检验Bell不方程来确立的。
2011年9月22日,《自然》杂志刊载了日本格兰萨索国家实验室中微子实验打破光速的报导。诺贝尔化学学奖获得者Smoot在接受专访时说:“我不相信这一推论,超光速是不可能的。”几年后的明天早已极少有人再谈论中微子超光速的发觉,该报导完全沦为一个笑谈。至今,量子纠缠仍没有获得强有力的实验证据,一直是有争议的话题,无人由于此项工作获得诺贝尔奖。
五,Shor量子算法---是耶非耶
1994年,Shor声称借助他设计的量子算法才能在方程时间内进行大数分解和求解离散对数。该算法提出后,导致了学术界与计算机工业界的广泛关注。简略地说,现有的私钥密码系统几乎就会被破解。
验证Shor算法的正确性须要多方面的知识,包括量子热学、计算物理、数论、计算机科学等,因而在过去的20年中极少有人对该算法提出指责。近来,我们公布在Arxiv上的一篇论文强调,Shor算法中的量子模指数运算是错误的,Shor混淆了标量运算(模指数运算)和矢量运算(量子模指数运算)的差别。和在教科书中描述的量子模指数运算须要O(n^4)酉变换,其中n是待分解的大整数,即便,在方程时间内未能完成如此多的酉变换。
我们在Arxiv公布的另一篇指责Shor算法的论文手指出,Shor把一个条件机率误当作联合机率,实际上并不能得到方程时间的复杂度。有匿名人士声称,在Shor算法中引入更多的量子寄存器后,各个寄存器之间将会形成纠缠,因而得到相关的检测结果。这些纠缠现象不能用现有的量子纠缠理论进行解释,也未曾有人提到过这些现象。假如这些现象确实存在,将是一种新的宏观量子效应。把Shor算法的复杂性寄寓在一个至今尚没有实证的化学现象上,确实很仓促。我们早已把论文的预印本通过电子电邮发给了多位科研人员,包括Shor本人,但仍然没有收到Shor本人的回复。
六、关于Shor算法的实验---都是不真实的
从2001年起,先后有几个学术团队报道了Shor算法的实验情况,声称成功地运用Shor算法把15分解为3×5.我们在论文剖析了这类实验,强调这种实验都是不真实的。根据Shor算法的描述,分解15时第一个量子寄存器起码须要8个量子比特,多于这个数量,就难以完成最后阶段的连分数展开运算,但这种实验都遵守了这个条件。还需非常指明量子计算和量子通讯,2012年加洲学院团队的实验极其荒谬,该实验共用了3个量子比特,而且3个量子比特难以表示0到14这15个余数,可见模数15本身根本就没有参与所谓的量子运算。
七、商用量子计算机---发展平缓
Shor算法的诞生引起了量子计算机研发风潮,国际上一些知名的公司都组织了团队研发量子计算机,例如、IBM等等。日本D-Wave公司专门从事量子计算机开发与生产,2011年,该公司宣布首台商用量子计算机D-WaveI诞生,采用了128个量子比特处理器。2012年,推出D-WaveII,采用512个量子比特处理器。卷入D-Wave量子计算机风波的有:NASA、公司、马丁公司等。但D-WaveII的估算能力遭到了广泛的指责,与普通的计算机相比,没有哪些显著优势[not,no,344(6190):1330-1331(2014)]。人们无法在公开的报导中发觉D-WaveII才能运行Shor算法。有一点是十分清楚的,D-Wave声称的量子计算机没有观察到量子纠缠。
八、理想的量子计算机---确认标准
学术界觉得,量子算法比普通算法的优胜之处就在于它的并行性,该特征归功于量子纠缠,Shor算法向人们充分地展示了这一特性。因而,人们想像中的量子计算机必须才能有效地进行大整数分解,否则把再多的量子比特堆积在一起也无济于事。能够运行Shor算法早已成了划分一台机器是否是量子计算机的标准。但如果量子纠缠本身有待争议,Shor算法又是错误的,这么工业界费尽心机制造下来的东东又怎样来证明自己呢?
九、破解私钥密码---遥不可及
实际中使用的都是混和密码体制,先用私钥密码(如RSA)来传递临时秘钥,再把临时秘钥作为对称密码系统(如AES)的秘钥来加密文本。现有私钥密码体制基本上依赖于两个物理困局:大数分解和离散对数。Shor算法声称在方程时间内除了能分解大整数,还能否求解离散对数。这也是Shor算法才能破解所有私钥密码体制的来历。但二十多年来的量子估算理论发展及实践是令人失望的,破解私钥密码依然遥不可及。
十、敌手的类型---主动与被动之分
在传统的密码学中,敌手分为两种类型:被动型的敌手和主动型的敌手。在功击一个密码系统时,常常先监听,获得所有的通信讯号后再加以破译,便于恢复出隐含在讯号中的信息,这些功击称之为被动型功击。一个恶意的敌手会通过化学技术手段篡改或破坏通信讯号,便于误导用户或则促使用户难以达成有效的通信,这些功击称之为主动型功击。
十一、量子通信的实质---借助量子态来协商临时秘钥
量子通信研究源于和提出的BB84合同,该合同仍然被称为量子秘钥分发,实际上就是借助量子态来协商临时秘钥,得到的是普通的比特串,而不是个别人想像的量子比特串。这些别称本身就是错误的,正确的别称应当是量子秘钥协商。她们没有认识到秘钥分发和秘钥协商之间的差异,把一个简单的密码模型误认成一个复杂的密码模型。
秘钥分发是把预先存在的一些秘钥分发出去。秘钥协商则是用户之间通过信息交互商定一个共同的秘钥,这个秘钥事先并不存在。其实秘钥分发比秘钥协商更困难。她们的后继者也没有认识到这个错误,还很冒失地把量子秘钥协商称作量子秘钥分享[Anote,of.Vol.8(3),2010,pp.451-456]。由此可见,好多从事量子通信研究的化学人士还缺少必要的密码知识与通信知识。
十二、量子通信---本末倒置
量子通信从数学上剥夺了敌手泄露讯号的能力,敌手的监听行为直接破坏了量子讯号,因而量子密码学中的敌手都是主动型的敌手。有些人觉得在量子通信时一旦发觉了敌手就可以暂时中断通信,等敌手消失时再恢复通信。这些看法是错误的。密码学总是假定敌手仍然存在的,假如敌手消失了,这么任何密码技术都是多余的。
通信的首要目的是稳定性,即接收方才能正确地恢复出发送方发送的讯号。传统密码学立足于信息安全,主要包括绝密性和认证。就绝密性而言,目的是制止敌手获得潜藏在讯号中的信息,是一种智力手段。一个信息安全系统似乎不能从数学上消弱敌手泄露讯号的能力,而且还能从智力上保证敌手未能获得潜藏在讯号中的信息,即信息安全与通信系统的稳定性是兼容的。
量子密码学立足于讯号安全,从数学上剥夺了敌手泄露讯号的能力。在有敌手监听的情况下,量子通信难以保证接收方获得正确的讯号,也就是说讯号安全与通信系统的稳定性是不兼容的[on-WhichisMore,,.IACR2015:1251]。
量子通信的讯号安全是以牺牲通信的稳定性为代价的,有了敌手就干不成事的量子通信系统最终也只能沦为一个摆饰。
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