量子計算的魅力

張文卓

2015國家自然科學(xué)獎一等獎花落中科大潘建偉團(tuán)隊的“多光子糾纏及干涉度量”。該研究將利用量子力學(xué)原理對信息的計算、存儲、傳輸和邏輯操作提供一種全新方式

2015年度國家自然科學(xué)一等獎

2016年1月8日，潘建偉院士、彭承志教授、陳宇翱教授、陸朝陽教授、陳增兵教授組成的5人團(tuán)隊獲得了2015年度國家自然科學(xué)一等獎，并在人民大會堂接受頒獎。5位老師均來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，他們是該獎項歷史上最年輕的獲獎團(tuán)隊，其中潘建偉、彭承志、陳增兵3位老師為70后，而陳宇翱和陸朝陽兩位老師為80后。

國家自然科學(xué)一等獎是中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎項，很多耳熟能詳?shù)睦弦惠吙茖W(xué)家都名列其中。但是因2014年獲獎的“透明計算”存在較大爭議，2015年急需一個眾望所歸的團(tuán)隊來重新樹立該獎項的聲譽。恰好2015年初潘院士團(tuán)隊作為最大熱門參加了該獎項的評選，并最終毫無懸念地獲獎。

這次潘建偉院士團(tuán)隊獲獎的項目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”?！岸喙庾蛹m纏”顧名思義就是讓多個光子產(chǎn)生糾纏，這是利用光子做量子比特傳送和量子計算的必要前提;而“干涉”就是實驗上實現(xiàn)多光子糾纏的手段。潘建偉院士團(tuán)隊在量子通信和量子計算等多個方向上都取得了世界領(lǐng)先的科研成果，“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就作為其核心研究內(nèi)容之一，貫穿始終。

潘建偉院士的團(tuán)隊是世界上量子信息研究的領(lǐng)軍者之一，在量子通信領(lǐng)域更是世界最強(qiáng)。與以往的歷屆國家自然科學(xué)一等獎相比，潘建偉團(tuán)隊在頂級論文數(shù)量和國際影響力上都更為出類拔萃。截止到2015年，該團(tuán)隊成果3次入選美國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大事件”，2次入選英國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”。2015年年末更是被物理世界網(wǎng)站（Physics world）評選為“2015年世界物理學(xué)十大進(jìn)展”第一名，這在中國物理學(xué)界史無前例。

量子糾纏

介紹“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”，首先需要介紹一下什么是量子糾纏。量子力學(xué)中最神秘的就是疊加態(tài)，而量子糾纏就是多粒子的一種疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態(tài)，同時另一個粒子B也可以處于疊加態(tài)，當(dāng)兩個粒子發(fā)生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態(tài)，即糾纏態(tài)：無論兩個粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時，B粒子一定處于1態(tài);反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時，B粒子一定處于0態(tài)。

隨著量子信息學(xué)的誕生，量子糾纏已經(jīng)不僅僅是一個基礎(chǔ)研究，它已經(jīng)成為量子信息科技的核心：例如，利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態(tài)，可以完成一次性操作多個量子比特的量子計算。讓更多的粒子糾纏起來是量子信息科技不斷追尋的目標(biāo)。

多光子糾纏和干涉度量學(xué)

“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就是通過干涉度量的方法實現(xiàn)多光子的量子糾纏。如果這種把雙光子干涉產(chǎn)生糾纏的方法層層累加，擴(kuò)展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求，糾纏的光子數(shù)自然是越多越好。但是隨著產(chǎn)生糾纏的光子數(shù)越多，干涉和測量的系統(tǒng)也就越復(fù)雜，實驗難度也就越大。

潘建偉團(tuán)隊從2004年開始，通過在國際上原創(chuàng)的多光子干涉和測量技術(shù)，一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀(jì)錄。2004年在世界上第一個實現(xiàn)了5光子糾纏，2007年在世界上第一個實現(xiàn)了6光子糾纏，2012年在世界上第一個實現(xiàn)了8光子糾纏，并且保持該紀(jì)錄至今。

每增加一個糾纏光子，光學(xué)干涉系統(tǒng)就要復(fù)雜一倍，糾纏產(chǎn)生的難度會隨著光子數(shù)呈指數(shù)上升。這個8光子糾纏光路就像“潘神的迷宮”一樣復(fù)雜，精巧，困難重重，但又引人入勝。

量子計算的應(yīng)用

1. 量子疊加態(tài)的計算魅力。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時刻僅有確定的一個狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會同時處于不同的量子態(tài)上。因為處于疊加態(tài)，這就意味著，量子計算一次運算就可以處理210=1024個數(shù)（從0到1023被同時處理一遍）。以此類推，量子計算的速度與量子比特數(shù)是2的指數(shù)增長關(guān)系。一個64位的量子計算機(jī)一次運算就可以同時處理264=18446744073709551616個數(shù)。如果單次運算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那么這個64位量子計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計算機(jī)（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。

量子力學(xué)疊加態(tài)賦予了量子計算機(jī)真正意義上的“并行計算”，而不像經(jīng)典計算機(jī)一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)需求強(qiáng)烈的今天，量子計算機(jī)越來越獲得互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

2. 肖爾算法——RSA加密技術(shù)的終結(jié)者。1985年，牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維·德意志提出了量子圖靈機(jī)模型的概念。隨后貝爾實驗室的彼得·肖爾于1995年提出了量子計算的第一個解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。

我們今天在互聯(lián)網(wǎng)上輸入的各種密碼，都會用到RSA算法加密。這種技術(shù)用一個很大的數(shù)的兩個質(zhì)數(shù)因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個數(shù)很大，用目前經(jīng)典計算機(jī)的速度算出它的質(zhì)數(shù)因子幾乎是不可能的任務(wù)。但利用量子計算的并行性，肖爾算法可以在很短的時間內(nèi)通過遍歷算法來獲得質(zhì)數(shù)因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術(shù)不堪一擊。

量子計算機(jī)會終結(jié)任何依靠計算復(fù)雜度的加密技術(shù)，但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護(hù)。量子計算的孿生兄弟——量子通信，會從根本上解決信息傳輸?shù)陌踩[患。

3. 格羅弗算法——未來的搜索引擎。肖爾算法提出一年后的1996年，同在貝爾實驗室的洛夫·格羅弗提出了格羅弗算法，即通過量子計算的并行能力，同時給整個數(shù)據(jù)庫做變換，用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。

量子計算的格羅弗搜索算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，這也是互聯(lián)網(wǎng)巨頭們對量子計算最大的關(guān)注點之一。量子信息時代的搜索引擎將植根于格羅弗算法，讓我們更快捷地獲取信息。

4. 量子計算機(jī)與人工智能。英國物理學(xué)家羅杰·彭羅斯把依靠經(jīng)典計算機(jī)的人工智能稱為“皇帝新腦”（即像皇帝的新衣一樣）。他認(rèn)為人腦不會像經(jīng)典計算機(jī)那樣以確定的方式處理信息，但量子測量會賦予人腦隨機(jī)性，同時量子疊加態(tài)還會賦予人腦全局觀（一個一個像素處理的經(jīng)典計算做不到全局觀）。因此彭羅斯等人認(rèn)為，人腦可能是一臺量子計算機(jī)。也許量子計算機(jī)的研究能在某個量子和經(jīng)典的交匯點上給出答案，解答人類意識和智慧的起源。那樣，量子計算機(jī)就會成為實現(xiàn)真正的人工智能的關(guān)鍵。

5. 獲獎團(tuán)隊的量子通信和量子計算應(yīng)用。盡管“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”獲得了國家自然科學(xué)一等獎，但這僅僅是潘建偉院士團(tuán)隊的一部分工作。2016年，該團(tuán)隊承擔(dān)研制的世界首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”將發(fā)射升空，實現(xiàn)世界首個星地間的量子保密通信和量子比特傳送。同時，該團(tuán)隊主導(dǎo)建設(shè)的世界首個量子保密通信主干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”也即將建成，推動量子保密通信進(jìn)入軍事、銀行、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等各個行業(yè)之中。

在量子計算領(lǐng)域，該團(tuán)隊不久前和阿里巴巴合作成立了“中科院—阿里巴巴量子計算聯(lián)合實驗室”，在保持光量子計算世界領(lǐng)先地位的同時，將大力推動我國量子計算整體研究水平。同時，在進(jìn)行量子計算研究過程中發(fā)展起來的量子調(diào)控技術(shù)，還可用以實現(xiàn)高精度的精密測量手段，將應(yīng)用于自主導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)檢驗、物理學(xué)基本常數(shù)測定、引力波探測等領(lǐng)域。我們有理由期待潘建偉院士的團(tuán)隊在未來帶給這個世界更多驚喜。