量子計算的魅力

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了蒸汽機等技術(shù)，將人類文明帶入了工業(yè)時代。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)電機和電動機等，將人類帶入了電氣時代。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代。

這次信息革命聲勢浩大且持續(xù)時間長，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，完全用量子力學(xué)規(guī)律來處理信息的“量子信息技術(shù)”將要登場，其中標志著人類文明到達信息革命之巔的，就是量子計算機。

速度無與倫比的量子計算

很多伴隨信息革命成長起來的信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域的大公司，都將量子計算機作為未來的發(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，其中又數(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)量子計算實驗室，開創(chuàng)了私人公司全資資助量子計算實驗室的先河。

阿里巴巴作為我國最大的互聯(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，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院聯(lián)合成立了“中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計算實驗室”。開我國引入民間資本來全資資助科研單位基礎(chǔ)科學(xué)研究之先河。

量子計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）”說起。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時刻僅有一個確定的狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會同時處于不同的量子態(tài)上。一個簡單的例子就是雙縫干涉實驗：經(jīng)典的粒子一次只能通過一個狹縫，但是量子力學(xué)的粒子一次可以同時通過多個狹縫，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)，一個比特在特定時刻只有特定的狀態(tài)，要么為0，要么為1，所有的計算都按照經(jīng)典的物理學(xué)規(guī)律進行。

量子信息扎根于量子物理學(xué)，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態(tài)。因為處于疊加態(tài)，一個量子比特可以同時代表0和1，對這個量子比特做一次操作，等于同時對0和1都做了操作。擴展下去，比如一個10比特的數(shù)，經(jīng)典計算每一次運算只能處理一個數(shù)（如0001001000，0100001000等等），但是量子計算可處理一個10量子比特的疊加態(tài)，這就意味著量子計算每一次運算就可以處理210=1024個數(shù)（即從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(shù)的關(guān)系是2的指數(shù)增長關(guān)系（而經(jīng)典計算機的速度和比特數(shù)僅僅是線性正比關(guān)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(shù)。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位的量子計算機的數(shù)據(jù)處理速度將是目前世界上最快的“太湖之光”超級計算機（每秒9.3億億次）的1500億倍！

量子力學(xué)疊加態(tài)特性賦予了量子計算機真正意義上的“并行計算”能力，而不是像現(xiàn)在經(jīng)典計算機一樣只是靠羅列更多的CPU來并行，艱難地維持著“摩爾定律”。在強烈需要大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的今天，人們對信息處理速度的要求越來越嚴苛。“天下武功唯快不破”，量子計算就是憑借先天的量子疊加優(yōu)勢，快得無與倫比，因此越來越得到互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

量子計算機的獨有算法

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

但有了量子計算機就是另外一種情況了。利用量子計算的并行性，Shor算法可在很短的時間內(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。

量子計算機會終結(jié)任何依賴計算制造復(fù)雜度的加密技術(shù)，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?shù)陌踩[患。

中科院研制的光量子計算機線路圖

Shor算法提出一年后，1996年，同在貝爾實驗室的Lov Grover提出了Grover算法。該算法通過量子計算的并行能力，同時給整個數(shù)據(jù)庫做變換，可用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。

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

量子計算機的實現(xiàn)難度

量子計算各種算法的理論已經(jīng)成熟多年，但是世界上第一臺量子計算機何時問世還是遙遙無期。因為在物理實現(xiàn)上，量子計算機需要與大量的量子比特關(guān)聯(lián)起來，進行量子邏輯門操作。這就不得不面對“退相干”的難題。

退相干現(xiàn)象來自外界環(huán)境對量子態(tài)的擾動，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)，因為像貓這么大的系統(tǒng)會以極快的速度發(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現(xiàn)方案中，有的雖可維持較長的退相干時間，卻無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)，但退相干時間過短（如超導(dǎo)電路、量子點）。相比之下，超導(dǎo)電路看起來更有希望通過延長退相干時間來取得突破，研發(fā)出可用的量子計算機。因而，Google公司也在超導(dǎo)電路量子計算方案上押了寶。

量子計算機與人工智能

英國著名物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）把依靠經(jīng)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(jīng)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(tài)還會賦予人腦全局觀（而一個一個比特處理的經(jīng)典計算還做不到全局觀），因此，彭羅斯認為人腦是一臺量子計算機，并和神經(jīng)學(xué)家Hameroff合作給出了模型。

“中國科學(xué)院一阿里巴巴量子計算機實驗室”揭牌儀式現(xiàn)場（圖中人物：左為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長萬立駿，中為阿里巴巴首席技術(shù)官王堅，右為中國科學(xué)院院長白春禮）。

但是，美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Max Tegmark計算出室溫下彭羅斯模型的退相干時間只有10-15秒量級，這個時間遠不夠進行量子計算。2015年，巴克利獎獲得者、物理學(xué)家費舍爾（Matthew Fisher）提出了一個假說，即神經(jīng)元中波斯納分子的磷原子核會攜帶量子比特，而且退相干時間能夠達到幾分鐘，這很可能是人類意識的起源。但爭論仍在持續(xù)，這個假說的證據(jù)也遠遠不足。也許量子計算機的研究能在這個方面取得突破，在某個量子和經(jīng)典的交匯點上找出解答人類意識和智慧起源問題的答案。那樣量子計算機的研究不但會給我們帶來極速計算，還可能成為實現(xiàn)真正的人工智能的關(guān)鍵。

基于以上原因，量子計算機一旦成功研發(fā)，就會成為人類歷史上最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一。量子計算機的研究任重道遠，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值。但回想一下，我們現(xiàn)在手中用到的便利廉價的信息技術(shù)，不都源自于上世紀五六十年代以貝爾實驗室為首的科研機構(gòu)長期大量投入的結(jié)果嗎？未來我們的子孫很可能用著量子手機和智能機器人，在量子互聯(lián)網(wǎng)上感謝著我們這個時代的投入。