從量子糾纏到量子計算

苗千

人類從認識量子現象到建立起量子理論，距今已經過去了100多年的時間，如今，人們正試圖利用這種大自然的運算方式建造量子計算機，量子計算將對人類文明的發展產生深遠的影響。但量子現象究竟是什么？如今人類是否理解了被愛因斯坦稱為“鬼魅般的遠距離作用”的量子糾纏現象？這些問題并不容易說清楚。從本期開始，將嘗試以一系列專欄文章來對此予以解答。

“這一刻代表了量子云計算的誕生。”2016年5月4日，IBM研究主管阿文德·克里希納（Arvind Krishna）這樣評價IBM剛剛推出的量子計算平臺——IBM量子體驗（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，大眾可以通過云技術使用電腦或是移動設備登錄這個量子計算平臺運行算法和實驗。

這個消息使量子計算機又成為人們關注的焦點。IBM公司研究量子計算機有些獨特的意味，在1981年，正是IBM公司與麻省理工學院共同召開了第一屆量子計算會議。在會議上，著名的物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）號召人類開始研究量子計算機：“自然界并不是經典力學的，如果你希望能夠更好地模仿自然界，你最好利用量子計算，而且這像是個很棒的問題，因為它看起來可不容易。”費曼從物理學家的角度希望研制出量子計算機從而更好地模擬自然界，但30多年之后，在電子計算機和網絡流行的時代，人們更關注的是量子計算機所展示出的強大計算潛力，這在電子計算機的發展逐漸接近極限的節點尤為重要。

IBM公司的網頁上寫道：“我們正在書寫計算歷史的新篇章。”傳統的計算模式已經逐漸接近到它的極限，“集成電路上的晶體管數目約每隔18～24個月便會增加一倍”的摩爾定律支配了人類半導體產業長達半個世紀，但是近年來電子器件的集成化速度已經開始顯著減慢，人們預測在2035年左右，摩爾定律將徹底失效，傳統的集成電路達到極限。人們自然開始把注意力集中在量子計算上，從自然界的運算方式、量子力學中尋找遠超傳統計算機的計算能力。

在我們所生活的宏觀世界中，人類的行為由經典力學所決定，因此我們處理信息的方法也是“經典力學式”的，即使是到了納米尺度的電子計算機也是以“經典”的方式處理數據。但是在原子量級，自然界的規律是由量子力學所決定，這與傳統計算機利用不同的電壓代表“0”和“1”兩個數字進行存儲和計算有本質的不同。量子計算的基本單元“量子比特”（qubit）利用量子力學的“疊加態原理”，可以同時代表“0”和“1”兩個數值，并且利用概率進行計算，這使它的計算能力與傳統計算機之間將出現指數級別的差異。

IBM并沒有像D-Wave公司一樣聲稱開發出了量子計算機，而是宣布開發了一個量子處理器，相比量子計算機的規模要小得多。這個量子處理器主要由在硅片上5個金屬材料制造的超導線圈構成，以格子結構在接近絕對零度的溫度下工作。雖然D-Wave公司在2015年制造出了9個量子比特構成的計算機，但IBM的5量子比特處理器的架構和測量方式都與之不同，這不僅代表了IBM量子計算機研究的最新成果，也展示了他們研究通用型量子計算機的計劃。

目前尚不存在通用型量子計算機（D-Wave量子計算機也只能執行一些特定的計算任務），但是IBM公布了一項雄心勃勃的計劃，在未來10年中開發出50～100個量子比特的中等量子處理器。目前5個量子比特的處理器可能還不能進行真正的工作，這個IBM量子體驗平臺更多還是用于展示目的，但如果能夠研制出哪怕只有50個量子比特的量子計算機，其計算能力就堪比目前世界上前500名的超級計算機，這正顯示了量子計算的潛力。

加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所的教授大衛·科里（David Cory）花了一個周末的時間在IBM量子體驗平臺上運行一個實驗，他對于這個系統的穩定性感到十分驚訝，對于每一次實驗，系統幾乎都能夠給出同樣的結果——在傳統計算機上這個結果固然無奇，但是對于一個量子系統來說，則是一個了不起的展示，量子計算是對于概率的捕捉，能夠進行穩定的運算是一個了不起的進步。

克里希納介紹：“量子計算機與目前的計算機的差別極大，不僅在于外觀和材料，更重要的是它們能夠做什么。量子計算正在成為現實，而它把計算能力延伸到了遠超傳統計算機可以想象的地步。”卓越的計算能力將使人未來在藥品研發、材料研究、人工智能、大數據搜索、天氣預報、解讀DNA序列、預測股市、模擬分子運動等各個領域都實現飛躍。

增加量子處理器中的量子比特數目，最終制造出含有大約10萬個量子比特共同工作的通用量子計算機，是量子計算機研究人員的最終目標。實現這樣的理想絕不容易，首先量子比特的狀態極為脆弱，如果你試圖觀測一個量子比特的狀態，它就會發生“退相干”（decoherence），只呈現出一個確定的數值，因此量子計算過程只能在人類無法觀測的狀態下進行。進行量子計算的過程中，一旦發生退相干，量子的疊加態就會發生塌縮，量子計算機最多只能退回到傳統計算機的水平，而當量子計算結束，人們又需要利用退相干過程進行測量，把量子過程轉換為經典狀態以取得一個確切的數值，這需要極為精確的控制。傳統計算機和量子計算機器件工作的能量差別在1萬倍以上，這使得量子計算過程中檢測和糾錯極為困難。無論是哪種材料制造的量子比特，都非常容易受到外界環境的干擾，熱擾動、電磁波的影響都很容易使量子比特的運算發生錯誤，目前即使是只有幾個量子比特共同工作，也很難檢測和糾正它們出現“比特翻轉”（bit-flip）錯誤，研制多個量子比特都能夠正常工作的通用型量子計算機，是否具有有效的量子糾錯系統是關鍵。

量子計算已經展現出了遠超傳統計算機的計算能力和應用空間，它接受輸入，通過最終的測量給出一個輸出值，但是它的運算過程則是完全無法控制的，無法觀測的量子態，這是自然界真正的運算方式。正如費曼所預想的，利用量子計算機將可以更準確地模擬大自然。盡管如此，量子計算也只是利用了量子力學中最為神秘也最令人難以理解的現象進行計算，它為人類真正理解量子態帶來了新的機會。量子過程究竟是怎么樣的一個過程？波函數中為什么會有虛數“i”出現？波函數到底是不是真實存在？量子疊加態究竟是一種什么樣的狀態？量子糾纏的本質又是什么？人類又是如何利用最令人迷惑的自然現象，一步步地搭建起計算能力超群的量子計算機？這就需要從量子現象中最令人感到迷惑的量子糾纏談起。