從量子糾纏到量子計(jì)算

苗千

人類從認(rèn)識(shí)量子現(xiàn)象到建立起量子理論，距今已經(jīng)過(guò)去了100多年的時(shí)間，如今，人們正試圖利用這種大自然的運(yùn)算方式建造量子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算將對(duì)人類文明的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。但量子現(xiàn)象究竟是什么？如今人類是否理解了被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅般的遠(yuǎn)距離作用”的量子糾纏現(xiàn)象？這些問(wèn)題并不容易說(shuō)清楚。從本期開(kāi)始，將嘗試以一系列專欄文章來(lái)對(duì)此予以解答。

“這一刻代表了量子云計(jì)算的誕生。”2016年5月4日，IBM研究主管阿文德·克里希納（Arvind Krishna）這樣評(píng)價(jià)IBM剛剛推出的量子計(jì)算平臺(tái)——IBM量子體驗(yàn)（IBM Quantum Experience）。這一天IBM公司在沃森研究中心（T. J. Watson Research Certer）首次宣布，大眾可以通過(guò)云技術(shù)使用電腦或是移動(dòng)設(shè)備登錄這個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)運(yùn)行算法和實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)消息使量子計(jì)算機(jī)又成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。IBM公司研究量子計(jì)算機(jī)有些獨(dú)特的意味，在1981年，正是IBM公司與麻省理工學(xué)院共同召開(kāi)了第一屆量子計(jì)算會(huì)議。在會(huì)議上，著名的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）號(hào)召人類開(kāi)始研究量子計(jì)算機(jī)：“自然界并不是經(jīng)典力學(xué)的，如果你希望能夠更好地模仿自然界，你最好利用量子計(jì)算，而且這像是個(gè)很棒的問(wèn)題，因?yàn)樗雌饋?lái)可不容易。”費(fèi)曼從物理學(xué)家的角度希望研制出量子計(jì)算機(jī)從而更好地模擬自然界，但30多年之后，在電子計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)流行的時(shí)代，人們更關(guān)注的是量子計(jì)算機(jī)所展示出的強(qiáng)大計(jì)算潛力，這在電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展逐漸接近極限的節(jié)點(diǎn)尤為重要。

IBM公司的網(wǎng)頁(yè)上寫(xiě)道：“我們正在書(shū)寫(xiě)計(jì)算歷史的新篇章。”傳統(tǒng)的計(jì)算模式已經(jīng)逐漸接近到它的極限，“集成電路上的晶體管數(shù)目約每隔18～24個(gè)月便會(huì)增加一倍”的摩爾定律支配了人類半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)，但是近年來(lái)電子器件的集成化速度已經(jīng)開(kāi)始顯著減慢，人們預(yù)測(cè)在2035年左右，摩爾定律將徹底失效，傳統(tǒng)的集成電路達(dá)到極限。人們自然開(kāi)始把注意力集中在量子計(jì)算上，從自然界的運(yùn)算方式、量子力學(xué)中尋找遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

在我們所生活的宏觀世界中，人類的行為由經(jīng)典力學(xué)所決定，因此我們處理信息的方法也是“經(jīng)典力學(xué)式”的，即使是到了納米尺度的電子計(jì)算機(jī)也是以“經(jīng)典”的方式處理數(shù)據(jù)。但是在原子量級(jí)，自然界的規(guī)律是由量子力學(xué)所決定，這與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用不同的電壓代表“0”和“1”兩個(gè)數(shù)字進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算有本質(zhì)的不同。量子計(jì)算的基本單元“量子比特”（qubit）利用量子力學(xué)的“疊加態(tài)原理”，可以同時(shí)代表“0”和“1”兩個(gè)數(shù)值，并且利用概率進(jìn)行計(jì)算，這使它的計(jì)算能力與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間將出現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的差異。

IBM并沒(méi)有像D-Wave公司一樣聲稱開(kāi)發(fā)出了量子計(jì)算機(jī)，而是宣布開(kāi)發(fā)了一個(gè)量子處理器，相比量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模要小得多。這個(gè)量子處理器主要由在硅片上5個(gè)金屬材料制造的超導(dǎo)線圈構(gòu)成，以格子結(jié)構(gòu)在接近絕對(duì)零度的溫度下工作。雖然D-Wave公司在2015年制造出了9個(gè)量子比特構(gòu)成的計(jì)算機(jī)，但I(xiàn)BM的5量子比特處理器的架構(gòu)和測(cè)量方式都與之不同，這不僅代表了IBM量子計(jì)算機(jī)研究的最新成果，也展示了他們研究通用型量子計(jì)算機(jī)的計(jì)劃。

目前尚不存在通用型量子計(jì)算機(jī)（D-Wave量子計(jì)算機(jī)也只能執(zhí)行一些特定的計(jì)算任務(wù)），但是IBM公布了一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，在未來(lái)10年中開(kāi)發(fā)出50～100個(gè)量子比特的中等量子處理器。目前5個(gè)量子比特的處理器可能還不能進(jìn)行真正的工作，這個(gè)IBM量子體驗(yàn)平臺(tái)更多還是用于展示目的，但如果能夠研制出哪怕只有50個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，其計(jì)算能力就堪比目前世界上前500名的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這正顯示了量子計(jì)算的潛力。

加拿大滑鐵盧大學(xué)量子計(jì)算研究所的教授大衛(wèi)·科里（David Cory）花了一個(gè)周末的時(shí)間在IBM量子體驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性感到十分驚訝，對(duì)于每一次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)幾乎都能夠給出同樣的結(jié)果——在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上這個(gè)結(jié)果固然無(wú)奇，但是對(duì)于一個(gè)量子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則是一個(gè)了不起的展示，量子計(jì)算是對(duì)于概率的捕捉，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)算是一個(gè)了不起的進(jìn)步。

克里希納介紹：“量子計(jì)算機(jī)與目前的計(jì)算機(jī)的差別極大，不僅在于外觀和材料，更重要的是它們能夠做什么。量子計(jì)算正在成為現(xiàn)實(shí)，而它把計(jì)算能力延伸到了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以想象的地步。”卓越的計(jì)算能力將使人未來(lái)在藥品研發(fā)、材料研究、人工智能、大數(shù)據(jù)搜索、天氣預(yù)報(bào)、解讀DNA序列、預(yù)測(cè)股市、模擬分子運(yùn)動(dòng)等各個(gè)領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)飛躍。

增加量子處理器中的量子比特?cái)?shù)目，最終制造出含有大約10萬(wàn)個(gè)量子比特共同工作的通用量子計(jì)算機(jī)，是量子計(jì)算機(jī)研究人員的最終目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這樣的理想絕不容易，首先量子比特的狀態(tài)極為脆弱，如果你試圖觀測(cè)一個(gè)量子比特的狀態(tài)，它就會(huì)發(fā)生“退相干”（decoherence），只呈現(xiàn)出一個(gè)確定的數(shù)值，因此量子計(jì)算過(guò)程只能在人類無(wú)法觀測(cè)的狀態(tài)下進(jìn)行。進(jìn)行量子計(jì)算的過(guò)程中，一旦發(fā)生退相干，量子的疊加態(tài)就會(huì)發(fā)生塌縮，量子計(jì)算機(jī)最多只能退回到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的水平，而當(dāng)量子計(jì)算結(jié)束，人們又需要利用退相干過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，把量子過(guò)程轉(zhuǎn)換為經(jīng)典狀態(tài)以取得一個(gè)確切的數(shù)值，這需要極為精確的控制。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)器件工作的能量差別在1萬(wàn)倍以上，這使得量子計(jì)算過(guò)程中檢測(cè)和糾錯(cuò)極為困難。無(wú)論是哪種材料制造的量子比特，都非常容易受到外界環(huán)境的干擾，熱擾動(dòng)、電磁波的影響都很容易使量子比特的運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，目前即使是只有幾個(gè)量子比特共同工作，也很難檢測(cè)和糾正它們出現(xiàn)“比特翻轉(zhuǎn)”（bit-flip）錯(cuò)誤，研制多個(gè)量子比特都能夠正常工作的通用型量子計(jì)算機(jī)，是否具有有效的量子糾錯(cuò)系統(tǒng)是關(guān)鍵。

量子計(jì)算已經(jīng)展現(xiàn)出了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和應(yīng)用空間，它接受輸入，通過(guò)最終的測(cè)量給出一個(gè)輸出值，但是它的運(yùn)算過(guò)程則是完全無(wú)法控制的，無(wú)法觀測(cè)的量子態(tài)，這是自然界真正的運(yùn)算方式。正如費(fèi)曼所預(yù)想的，利用量子計(jì)算機(jī)將可以更準(zhǔn)確地模擬大自然。盡管如此，量子計(jì)算也只是利用了量子力學(xué)中最為神秘也最令人難以理解的現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算，它為人類真正理解量子態(tài)帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)。量子過(guò)程究竟是怎么樣的一個(gè)過(guò)程？波函數(shù)中為什么會(huì)有虛數(shù)“i”出現(xiàn)？波函數(shù)到底是不是真實(shí)存在？量子疊加態(tài)究竟是一種什么樣的狀態(tài)？量子糾纏的本質(zhì)又是什么？人類又是如何利用最令人迷惑的自然現(xiàn)象，一步步地搭建起計(jì)算能力超群的量子計(jì)算機(jī)？這就需要從量子現(xiàn)象中最令人感到迷惑的量子糾纏談起。