量子計(jì)算的魅力

九維空間

人類歷史上的每一次科技革命，都是以物理學(xué)上的重大突破為基礎(chǔ)的。第一次科技革命源自牛頓力學(xué)和熱力學(xué)，瓦特等人以此為理論改進(jìn)了蒸汽機(jī)等技術(shù)，將人類文明帶入了工業(yè)時(shí)代。第二次科技革命源于法拉第和麥克斯韋在電磁學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)，以此為基礎(chǔ)，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)明了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等，將人類帶入了電氣時(shí)代。第三次科技革命又稱為信息革命，它源自量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，以此為基礎(chǔ)，物理學(xué)家們發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管和集成電路、激光器等等，將人類文明帶入了信息時(shí)代。

這次信息革命聲勢(shì)浩大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，并因此誕生了互聯(lián)網(wǎng)，徹底改變了人們的生活方式。但是信息革命僅僅走了一半。這是由于半導(dǎo)體和激光雖然植根于量子力學(xué)，但是處理的都是經(jīng)典信息。在這次信息革命的下半場(chǎng)，完全用量子力學(xué)規(guī)律來(lái)處理信息的“量子信息技術(shù)”將要登場(chǎng)，其中標(biāo)志著人類文明到達(dá)信息革命之巔的，就是量子計(jì)算機(jī)。

速度無(wú)與倫比的量子計(jì)算

很多伴隨信息革命成長(zhǎng)起來(lái)的信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域的大公司，都將量子計(jì)算機(jī)作為未來(lái)的發(fā)展方向，并投入了極大的研發(fā)力量。這其中包括IBM、微軟和Google（谷歌）等，其中又?jǐn)?shù)Google投入最大。該公司在2014年正式雇傭了加州大學(xué)圣芭芭拉分校John Martinis，資助他所領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)創(chuàng)了私人公司全資資助量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的先河。

阿里巴巴作為我國(guó)最大的互聯(lián)網(wǎng)公司，在經(jīng)典信息技術(shù)上擁有雄厚的積累。而中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子信息學(xué)研究上領(lǐng)先世界。在Google模式的啟發(fā)下，兩者一拍即合，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院聯(lián)合成立了“中國(guó)科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”。開(kāi)我國(guó)引入民間資本來(lái)全資資助科研單位基礎(chǔ)科學(xué)研究之先河。

量子計(jì)算為何具有如此魅力，吸引IT巨頭們紛紛解囊？這還要從量子物理學(xué)最基本也是最奇異的特性“疊加態(tài)（superposition）”說(shuō)起。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時(shí)刻僅有一個(gè)確定的狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會(huì)同時(shí)處于不同的量子態(tài)上。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)：經(jīng)典的粒子一次只能通過(guò)一個(gè)狹縫，但是量子力學(xué)的粒子一次可以同時(shí)通過(guò)多個(gè)狹縫，從而產(chǎn)生干涉。

傳統(tǒng)的信息技術(shù)扎根于經(jīng)典物理學(xué)，一個(gè)比特在特定時(shí)刻只有特定的狀態(tài)，要么為0，要么為1，所有的計(jì)算都按照經(jīng)典的物理學(xué)規(guī)律進(jìn)行。

量子信息扎根于量子物理學(xué)，一個(gè)量子比特（qubit）就是0和1的疊加態(tài)。因?yàn)樘幱诏B加態(tài)，一個(gè)量子比特可以同時(shí)代表0和1，對(duì)這個(gè)量子比特做一次操作，等于同時(shí)對(duì)0和1都做了操作。擴(kuò)展下去，比如一個(gè)10比特的數(shù)，經(jīng)典計(jì)算每一次運(yùn)算只能處理一個(gè)數(shù)（如0001001000，0100001000等等），但是量子計(jì)算可處理一個(gè)10量子比特的疊加態(tài)，這就意味著量子計(jì)算每一次運(yùn)算就可以處理210=1024個(gè)數(shù)（即從0到1023被同時(shí)處理一遍）。

以此類推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)的關(guān)系是2的指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系（而經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度和比特?cái)?shù)僅僅是線性正比關(guān)系）。一個(gè)64位的量子計(jì)算機(jī)一次運(yùn)算就可以同時(shí)處理264=18446744073709551616個(gè)數(shù)。如果單次運(yùn)算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級(jí)別（1GHz），那么這個(gè)64位的量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將是目前世界上最快的“太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)（每秒9.3億億次）的1500億倍！

量子力學(xué)疊加態(tài)特性賦予了量子計(jì)算機(jī)真正意義上的“并行計(jì)算”能力，而不是像現(xiàn)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣只是靠羅列更多的CPU來(lái)并行，艱難地維持著“摩爾定律”。在強(qiáng)烈需要大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的今天，人們對(duì)信息處理速度的要求越來(lái)越嚴(yán)苛。“天下武功唯快不破”，量子計(jì)算就是憑借先天的量子疊加優(yōu)勢(shì)，快得無(wú)與倫比，因此越來(lái)越得到互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)有算法

1985年，牛津大學(xué)的物理學(xué)家David Deutsch提出了量子圖靈機(jī)的概念，隨后貝爾實(shí)驗(yàn)室的Peter Shor于1995年提出了量子計(jì)算的第一個(gè)解決具體問(wèn)題的思路，即Shor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(huì)用到RSA算法加密，即用一個(gè)很大的數(shù)的兩個(gè)質(zhì)數(shù)因子生成密鑰來(lái)給我們的密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于該數(shù)很大，用目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度算出它的質(zhì)數(shù)因子還是比較困難的，例如2009年曾用多臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)耗時(shí)多天，才破解了RSA-768。

但有了量子計(jì)算機(jī)就是另外一種情況了。利用量子計(jì)算的并行性，Shor算法可在很短的時(shí)間內(nèi)獲得質(zhì)數(shù)因子，從而破解密鑰，使RSA加密技術(shù)不堪一擊。

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

中科院研制的光量子計(jì)算機(jī)線路圖

Shor算法提出一年后，1996年，同在貝爾實(shí)驗(yàn)室的Lov Grover提出了Grover算法。該算法通過(guò)量子計(jì)算的并行能力，同時(shí)給整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)做變換，可用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。

量子計(jì)算的Grover搜索算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，這也是互聯(lián)網(wǎng)巨頭們對(duì)量子計(jì)算的關(guān)注點(diǎn)之一。量子信息時(shí)代的搜索引擎將植根于Grover算法，讓我們更快捷地獲取信息。

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)難度

量子計(jì)算各種算法的理論已經(jīng)成熟多年，但是世界上第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)何時(shí)問(wèn)世還是遙遙無(wú)期。因?yàn)樵谖锢韺?shí)現(xiàn)上，量子計(jì)算機(jī)需要與大量的量子比特關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)行量子邏輯門操作。這就不得不面對(duì)“退相干”的難題。

退相干現(xiàn)象來(lái)自外界環(huán)境對(duì)量子態(tài)的擾動(dòng)，使量子態(tài)逐漸演化到經(jīng)典的狀態(tài)，失去量子疊加特性。而且系統(tǒng)越大，各種內(nèi)部和外部的相互作用越多，越難維持量子態(tài)，退相干發(fā)生得也就越快。這就是為什么我們現(xiàn)在能觀察到粒子的疊加態(tài)，卻觀察不到“薛定諤的貓”的疊加態(tài)，因?yàn)橄褙堖@么大的系統(tǒng)會(huì)以極快的速度發(fā)生退相干，只留下經(jīng)典的死或活狀態(tài)。退相干在量子和經(jīng)典世界間筑起了一道鴻溝。

在量子邏輯門的各種物理實(shí)現(xiàn)方案中，有的雖可維持較長(zhǎng)的退相干時(shí)間，卻無(wú)法做到很多的量子比特關(guān)聯(lián)（如離子阱、核磁共振）;有的可以做到較多的量子比特關(guān)聯(lián)，但退相干時(shí)間過(guò)短（如超導(dǎo)電路、量子點(diǎn)）。相比之下，超導(dǎo)電路看起來(lái)更有希望通過(guò)延長(zhǎng)退相干時(shí)間來(lái)取得突破，研發(fā)出可用的量子計(jì)算機(jī)。因而，Google公司也在超導(dǎo)電路量子計(jì)算方案上押了寶。

量子計(jì)算機(jī)與人工智能

英國(guó)著名物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）把依靠經(jīng)典計(jì)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(huì)像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣以確定的方式處理信息，但量子測(cè)量會(huì)賦予人腦隨機(jī)性，同時(shí)量子疊加態(tài)還會(huì)賦予人腦全局觀（而一個(gè)一個(gè)比特處理的經(jīng)典計(jì)算還做不到全局觀），因此，彭羅斯認(rèn)為人腦是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，并和神經(jīng)學(xué)家Hameroff合作給出了模型。

“中國(guó)科學(xué)院一阿里巴巴量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室”揭牌儀式現(xiàn)場(chǎng)（圖中人物：左為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)萬(wàn)立駿，中為阿里巴巴首席技術(shù)官王堅(jiān)，右為中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮）。

但是，美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Max Tegmark計(jì)算出室溫下彭羅斯模型的退相干時(shí)間只有10-15秒量級(jí)，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)不夠進(jìn)行量子計(jì)算。2015年，巴克利獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家費(fèi)舍爾（Matthew Fisher）提出了一個(gè)假說(shuō)，即神經(jīng)元中波斯納分子的磷原子核會(huì)攜帶量子比特，而且退相干時(shí)間能夠達(dá)到幾分鐘，這很可能是人類意識(shí)的起源。但爭(zhēng)論仍在持續(xù)，這個(gè)假說(shuō)的證據(jù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。也許量子計(jì)算機(jī)的研究能在這個(gè)方面取得突破，在某個(gè)量子和經(jīng)典的交匯點(diǎn)上找出解答人類意識(shí)和智慧起源問(wèn)題的答案。那樣量子計(jì)算機(jī)的研究不但會(huì)給我們帶來(lái)極速計(jì)算，還可能成為實(shí)現(xiàn)真正的人工智能的關(guān)鍵。

基于以上原因，量子計(jì)算機(jī)一旦成功研發(fā)，就會(huì)成為人類歷史上最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一。量子計(jì)算機(jī)的研究任重道遠(yuǎn)，目前仍然處于燒錢研發(fā)階段。惟其如此，所以很多人不理解巨額投入的價(jià)值。但回想一下，我們現(xiàn)在手中用到的便利廉價(jià)的信息技術(shù)，不都源自于上世紀(jì)五六十年代以貝爾實(shí)驗(yàn)室為首的科研機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期大量投入的結(jié)果嗎？未來(lái)我們的子孫很可能用著量子手機(jī)和智能機(jī)器人，在量子互聯(lián)網(wǎng)上感謝著我們這個(gè)時(shí)代的投入。