量子計算的未來
——清華大學交叉信息研究院院長姚期智院士專訪

蒲慕明 王玲

近年來，量子計算和量子計算機在科學界和工業(yè)界都引起了大量關注。科學家們期望利用材料的量子性質(zhì)，來打破傳統(tǒng)計算機小型化的摩爾定律，進而建立起新型的量子計算機。量子計算這一概念是著名物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）在1981年首先引入的。該領域的早期創(chuàng)始人之一，圖靈 獎獲得者姚期智先生在1993年曾為量子計算理論基礎的建立做出過 核心貢獻。2011年，姚期智創(chuàng)建清華大學量子信息中心（CQI），旨在將后者打造成為世界級的量子計算研究中心。在近期與《國家科學評論》（《National Science Review》， NSR）的一次對話中，姚期智細數(shù)了量子計算的歷史，并表達了他對該領域未來發(fā)展的看法。他認為，量子計算機擅長的任務包括新材料設計、藥物設計以及化學反應模擬等方面，但在傳統(tǒng)計算機已經(jīng)被證明高效的領域，是不太可能取而代之的。

NSR：量子通信和量子計算受到媒體的廣泛關注。二者是兩個不同的概念嗎？

姚期智：量子通信和量子計算是兩個相互關聯(lián)，但是彼此獨立的概念。量子計算所需的技術更為高級。驅動量子通信發(fā)展的主要目標是為保密通信建立密碼學保障，在量子通信中，從一地到另一地的待傳送信號不必是高度準確的。但量子計算卻要求信號的高準確性。在過去十幾年中，谷歌等大型公司開發(fā)出了一些量子計算相關的新興技術。一般的看法是，可用的技術將在未來五六年中出現(xiàn)。量子計算的理論基礎在 20年前就已經(jīng)建立了，現(xiàn)在的問題是如何實現(xiàn)它。

NSR：量子計算已然成為熱點話題。它的基本原理是什么？

姚期智：半導體電路小型化的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)計算機的性能不斷提升。然而，這個小型化存在一個固有極限——當芯片上電路元件的尺寸縮小到納米尺度時，量子力學效應將會占據(jù)主導地位，并影 響元件的性能。這將是摩爾定律的終點。

對于傳統(tǒng)計算機來說，這是不可避免的命運；但是科學家們已經(jīng)開始考慮，能否把這種情況下有害的量子現(xiàn)象轉變?yōu)橛幸娴摹獦嫿ㄒ粋€利用由薛定諤方程描述的量子力學邏輯進行計算的計算機，而不再是利用布爾邏輯進行計算的傳統(tǒng)計算機。量子計算機這個理念是費曼在1981年首次提出的。他說，原則上，人們可以設計一種計算機，該計算機通過量子力學特性來工作，模擬量子系統(tǒng)并采用量子方程得到解。費曼的這個理念在學術領域引起了很大重視。

傳統(tǒng)計算機通過集成電路利用雙值布爾邏輯（0 和1）發(fā)揮功能。其計算是：把由比特表示的輸入點映射到更高層次，通過多重映射，得到輸出點以提供最終解。然而，量子計算機的量子比特可以表示1、0 或者這兩個態(tài)的任意疊加。量子計算機系統(tǒng)的計算類似于固體的旋轉；在這個類比中，量子計算機的計算結果類似于測量固體旋轉所得到的讀數(shù)（旋轉角度可以是連續(xù)的任意角度）。傳統(tǒng)計算機的一個操作，對應一個確定的路徑；量子計算機的一個操作，可以沿著多個計算路徑進行，而最終達到的是同一個目標，因為量子波函數(shù)允許在同一時刻存在多個態(tài)。這個現(xiàn)象就是量子并行性。量子并行計算是量子計算機的速度可以遠快于傳統(tǒng)計算機的關鍵原因。

NSR：就硬件設計而言，傳統(tǒng)計算機與量子計算機的主要區(qū)別是什么？

姚期智：量子計算機是一個相對閉合的系統(tǒng)，其計算幾乎能夠做到瞬時完成。基本上，量子計算機表現(xiàn)得十分“羞怯”：一經(jīng)查看，計算就會被打斷并停止。此外，量子計算機是非常復雜的系統(tǒng)，其涉及到多重前沿性技術。例如，量子計算機的存儲單元、多個單元之間 的通信、量子比特態(tài)的調(diào)制等，都需要用到激光器。就量子計算機 的材料與制造工藝而言，其不僅代表著過去三四十年中諸多先進技術的集成，還涉及到各學科間的緊密合作。

NSR：量子現(xiàn)象的不確定性會影響量子計算的精度嗎？

姚期智：會的，但是一個不確定的答案并不一定是錯誤的。事實上，有些量子計算總是能夠得出正確的答案。而且就實際計算而言，有一些誤差是可以被接受的，無需100%精確。

NSR：量子計算機的概念早在1980年代初期就已經(jīng)出現(xiàn)，但在之后幾十年中似乎進展緩慢。

姚期智：的確如此。在費曼提出這一理念后，主要是物理學家在進行深入的理論探索。直到20 世紀90年代初期，在物理學家基本上闡明了量子計算機的運行機制后，計算機科學家才開始進入這一領域——我本人也是其中之一。1994年，貝爾實驗室的Peter Shor設計了破解密碼的量子計算算法，引發(fā)了計算學界的廣泛興趣，美國政府和美國宇航局開始投入這一領域。多個相互競爭、嘗試制造第一臺實際量子計算機的研究團隊也開始出現(xiàn)。

NSR：從那時開始，主要的進展有哪些？

姚期智：自那之后的主要工作是對實現(xiàn)量子計算機的方案進行探討和選擇。在過去十幾年里，為制造量子計算機，科學家們嘗試了各種材料，例如離子阱、超導體和鉆石。最近，拓撲絕緣體也因其自身優(yōu)異的可校正功能而成為備選之一。但是前面還有很長的路要走，主要困難之一是保持功能態(tài)的超低溫度。

NSR：您認為第一臺量子計算機將在何時出現(xiàn)？

姚期智：許多人預測第一臺量子計算機將在未來五六年中出現(xiàn)，但我認為，要制造出能夠在數(shù)千量子比特水平上進行可靠計算的量子計算機，絕非易事。谷歌和IBM 等大公司都在量子計算機研發(fā)上斥入巨資。特別是谷歌，它招募了該領域中最重要的專家John Marinis 以及他在加州大學圣芭芭拉分校的整個團隊。

NSR：在您的倡議下，清華大學在2011年建立了量子信息中心（CQI），這個中心的目標是什么？

姚期智：我們的目標是打造量子信息的世界級中心，并為該領域培養(yǎng)下一代科學家。因此，我們的當務之急就是招募高質(zhì)量研究人員，例如我們招募到的美國密西根大學費米講席教授段路明。過去幾年里，他在我們中心做出了優(yōu)秀的工作。

NSR：采用鉆石系統(tǒng)的優(yōu)勢是 什么？

姚期智：鉆石系統(tǒng)有兩個優(yōu)點：其一，它可以在室溫下運行；其二，它具有固態(tài)晶體結構，如果系統(tǒng)能在幾個量子位水平表現(xiàn)良好，就有可能擴展到更大的尺度。除了鉆石系統(tǒng)，我們中心也在進行離子阱、超導體和光子網(wǎng)絡的研究，而且正在做出很好的進展。

NSR：量子計算機性能卓越，它們是否將會替代傳統(tǒng)計算機？

姚期智：我認為傳統(tǒng)計算機和量子計算機將會共存，因為二者各具優(yōu)勢。傳統(tǒng)計算機具有量子計算機尚不具備的準確性和成熟度。但相比于傳統(tǒng)計算機，量子計算機將在解決涉及量子力學效應的問題上具備優(yōu)勢。例如，在材料設計、藥物研發(fā)和物理化學領域，量子計算機將會展現(xiàn)出優(yōu)勢，而使用傳統(tǒng)計算機則很難解決這些問題。

NSR：量子計算機的硬件和軟 件都與傳統(tǒng)計算機有很大不同。目前的主要挑戰(zhàn)是什么？

姚期智：量子計算是一個典型的跨學科領域，需要相關領域的科學家與工程師密切合作，尤其是量子物理學家與計算機科學家之間的合作。算法的突破將激發(fā)硬件的改進，反之亦然。例如，我在上文中所提到的Peter Shor 教授，他不僅證明了量子計算可以解決密碼破解的問題，還解決了量子計算中的誤差修正問題。正是基于他的這一研究，物理學家們開始確信量子計算機的可行性。而當量子計算機發(fā)展到一定階段，將會需要計算機科學的變革。傳統(tǒng)計算機的數(shù)據(jù)存儲、運算系統(tǒng)和編程語言都需要被重新設計。目前尚不清楚這將怎樣完成，但這是一個重要的研究方向。許多IT 行業(yè)的領軍公司早已構建了大量的項目來發(fā)展量子軟件。

量子計算方法和算法的研究是一個具有巨大潛力的領域。過去數(shù)十年中已經(jīng)出現(xiàn)了多個優(yōu)雅的計算方法，理論上都很有吸引力。我希望看到更多與實際相契合的量子計算方法出現(xiàn)，諸如用于材料設計的方法。

NSR：量子計算機似乎需要科 學和制造技術的共同發(fā)展？

姚期智：沒錯。我已經(jīng)強調(diào)過，在中國，制造量子計算機的重要性遠遠超過只研究量子計算——因為這將帶動相關技術行業(yè)的發(fā)展。這種大工程將激發(fā)科學家和工程師的潛力，他們會為了求解特定問題而創(chuàng)造出新方法和新技術，這些方法和技術可以在工業(yè)發(fā)展、國家安全等諸多領域中作出有益于社會的貢獻。

在進行實際實驗時，還會有一些眼前的顧慮。例如，適合于量子計算機的鉆石材料依賴于國外進口。當競爭變得更加激烈，其他國家可能會拒絕將材料出售給我們。如果我們不自力更生發(fā)展這些材料，未來將很容易受到限制。另外，在該領域工作，無法在短期內(nèi)發(fā)表個人評價和職位晉升所需的文章。除非我們改變現(xiàn)有的評價體系，否則很難激勵研究人員從事這種基礎性研究工作。這些都導致了我們目前仍然依賴于進口的材料和技術?！?/p>