量子計算的魅力

張文卓

2015國家自然科學獎一等獎花落中科大潘建偉團隊的“多光子糾纏及干涉度量”。該研究將利用量子力學原理對信息的計算、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人團隊獲得了2015年度國家自然科學一等獎，并在人民大會堂接受頒獎。5位老師均來自中國科學技術大學，他們是該獎項歷史上最年輕的獲獎團隊，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。

國家自然科學一等獎是中國自然科學領域的最高獎項，很多耳熟能詳的老一輩科學家都名列其中。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隊來重新樹立該獎項的聲譽。恰好2015年初潘院士團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。

這次潘建偉院士團隊獲獎的項目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學”?！岸喙庾蛹m纏”顧名思義就是讓多個光子產生糾纏，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”就是實驗上實現多光子糾纏的手段。潘建偉院士團隊在量子通信和量子計算等多個方向上都取得了世界領先的科研成果，“多光子糾纏和干涉度量學”就作為其核心研究內容之一，貫穿始終。

潘建偉院士的團隊是世界上量子信息研究的領軍者之一，在量子通信領域更是世界最強。與以往的歷屆國家自然科學一等獎相比，潘建偉團隊在頂級論文數量和國際影響力上都更為出類拔萃。截止到2015年，該團隊成果3次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”，2次入選英國物理學會評選的“年度物理學重大進展”。2015年年末更是被物理世界網站（Physics world）評選為“2015年世界物理學十大進展”第一名，這在中國物理學界史無前例。

量子糾纏

介紹“多光子糾纏和干涉度量學”，首先需要介紹一下什么是量子糾纏。量子力學中最神秘的就是疊加態，而量子糾纏就是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態，同時另一個粒子B也可以處于疊加態，當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，即糾纏態：無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態時，B粒子一定處于1態;反之，當A粒子處于1態時，B粒子一定處于0態。

隨著量子信息學的誕生，量子糾纏已經不僅僅是一個基礎研究，它已經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，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。

多光子糾纏和干涉度量學

“多光子糾纏和干涉度量學”就是通過干涉度量的方法實現多光子的量子糾纏。如果這種把雙光子干涉產生糾纏的方法層層累加，擴展到更多的光子，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，糾纏的光子數自然是越多越好。但是隨著產生糾纏的光子數越多，干涉和測量的系統也就越復雜，實驗難度也就越大。

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

每增加一個糾纏光子，光學干涉系統就要復雜一倍，糾纏產生的難度會隨著光子數呈指數上升。這個8光子糾纏光路就像“潘神的迷宮”一樣復雜，精巧，困難重重，但又引人入勝。

量子計算的應用

1. 量子疊加態的計算魅力。在經典物理學中，物質在確定的時刻僅有確定的一個狀態。量子力學則不同，物質會同時處于不同的量子態上。因為處于疊加態，這就意味著，量子計算一次運算就可以處理210=1024個數（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是2的指數增長關系。一個64位的量子計算機一次運算就可以同時處理264=18446744073709551616個數。如果單次運算速度達到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那么這個64位量子計算機的數據處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計算機（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。

量子力學疊加態賦予了量子計算機真正意義上的“并行計算”，而不像經典計算機一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數據處理技術需求強烈的今天，量子計算機越來越獲得互聯網巨頭們的重視。

2. 肖爾算法——RSA加密技術的終結者。1985年，牛津大學的物理學家戴維·德意志提出了量子圖靈機模型的概念。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。

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

量子計算機會終結任何依靠計算復雜度的加密技術，但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護。量子計算的孿生兄弟——量子通信，會從根本上解決信息傳輸的安全隱患。

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，同時給整個數據庫做變換，用最快的步驟顯示出需要的數據。

量子計算的格羅弗搜索算法遠遠超出了經典計算機的數據搜索速度，這也是互聯網巨頭們對量子計算最大的關注點之一。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. 量子計算機與人工智能。英國物理學家羅杰·彭羅斯把依靠經典計算機的人工智能稱為“皇帝新腦”（即像皇帝的新衣一樣）。他認為人腦不會像經典計算機那樣以確定的方式處理信息，但量子測量會賦予人腦隨機性，同時量子疊加態還會賦予人腦全局觀（一個一個像素處理的經典計算做不到全局觀）。因此彭羅斯等人認為，人腦可能是一臺量子計算機。也許量子計算機的研究能在某個量子和經典的交匯點上給出答案，解答人類意識和智慧的起源。那樣，量子計算機就會成為實現真正的人工智能的關鍵。

5. 獲獎團隊的量子通信和量子計算應用。盡管“多光子糾纏和干涉度量學”獲得了國家自然科學一等獎，但這僅僅是潘建偉院士團隊的一部分工作。2016年，該團隊承擔研制的世界首顆“量子科學實驗衛星”將發射升空，實現世界首個星地間的量子保密通信和量子比特傳送。同時，該團隊主導建設的世界首個量子保密通信主干網絡“京滬干線”也即將建成，推動量子保密通信進入軍事、銀行、互聯網數據中心等各個行業之中。

在量子計算領域，該團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合實驗室”，在保持光量子計算世界領先地位的同時，將大力推動我國量子計算整體研究水平。同時，在進行量子計算研究過程中發展起來的量子調控技術，還可用以實現高精度的精密測量手段，將應用于自主導航、醫學檢驗、物理學基本常數測定、引力波探測等領域。我們有理由期待潘建偉院士的團隊在未來帶給這個世界更多驚喜。