距離量子計算還有最后一公里

姚期智

現在，量子計算在學術期刊上，在普通報紙雜志上，都是一個相當熱門，并且常常被談到的題目，那到底量子計算是什么？為什么量子計算比經典的計算機能夠快那么多，這些對大多數人來講，仍然還很神秘。

量子計算會讓世界變成什么樣

我今天的演講就是要來揭開這個面紗，我先來一個簡短的介紹，也是一個相當有深度的介紹。

20多年以前量子計算機被發現有一個非常奇怪的功能，大家知道RSA是一個現在常用的密碼系統，大家覺得這是一個高度安全的密碼系統，但是當有了量子計算機以后，科學家證明它就變得不安全了，這是怎么一回事呢？

比如說我們想用一個RSA的密碼系統，用400位數的整數來做一個密鑰的話，用現在最大的、最好的超級計算機，需要60萬年才能夠做出來。但是如果在將來有了相當存儲功能的量子計算機之后，三個小時就可以做出來。

我這里用的數字是科學家們最保守的估計，一般人都認為它能夠比三個小時少很多的時間就可以做出來。這樣你就可以看到量子計算機能夠破解現在沒有辦法破解的密碼，這個震驚了世界學術界。

這里，我們想要回答兩個一般人最想問的問題：

第一，量子計算為什么是一個革命性的計算原理，它和經典的計算機到底不同在哪里？它為什么會這么快？第二，量子計算機什么時候會出現？

對于第二個問題，我們的了解是量子計算機現在基本上已經是呼之欲出。我們已經進入一個能看到量子計算機將要出現的時間段，我們可以把它叫做最后的一公里，但這會是一個非常艱難的，也是需要經過一段時間要走的最后一公里。

雖然量子計算機能夠做很多事情，但當把它放到更大的視野來看，量子計算在整個計算的框架，甚至在整個21世紀的科學里面，它有什么樣的位置？有沒有更高的價值呢？

我們現在先談量子計算機為什么和傳統計算機完全不一樣。我們中國有一個很古老的寓言，是說“楊子見歧路而哭之”，就是講楊朱看到有一只羊走失了，他走到了分叉的地方，他不知道羊在哪條路上，這個時候他就不能夠決定，覺得很悲傷，因為看起來唯一的方法，就是你必須先去走一條路，然后再走另外一條路。

這代表著我們在遇到一個計算問題的時候，想要找一個答案，常常要搜索好幾個不同的方向，來看到底哪一個方向才能夠給你一個答案。所以說傳統計算機就有這樣的一個問題。

在量子世界里面，這個問題能夠得到解決。

我們可以這樣想，在傳統的世界里面，楊子看到有歧路，我們腦筋里面出現的一個景象，最好的解決方法是什么呢？如果楊子是孫悟空的話，這個問題就解決了，因為我在頭上拔幾根毛，變出很多個小孫悟空，每個人都走不同的路。這樣的話，大家可以同時搜索，搜索的時間就短了，一個難的問題就變得容易了。

而在量子世界，這些最微小的粒子本身就具有孫悟空一樣的能力。所以，這是一個非常神奇的事情，在這種最微小的量子世界里面，一個小孫悟空可以一下子變成兩個孫悟空，有一半的他走一條路，另外一半走另外一條路。

所以在量子世界里面，在這些最小的分子、原子之下，他們這些小孫悟空，如果我們在一種適合的情況下，他們真的能夠有一個非常好的配合，能夠讓他們所有的分身全部分開，大家一起合作。換句話說，這個就是達到了我們的平行計算，基本上等于有無限多個能夠運行的計算器讓你用。

這種能夠分身的魔術，并不是在所有的計算問題里面都能夠達到這個效果，不幸的是，量子物理世界在原理上還有其他結果。不過，有時候它可以做到。

我們現在看看，我們剛剛講的RSA密碼破解的時候，他用的原理是怎么一回事。

在經典物理里面，它有一個和量子相似的情況，這個就是光，光有一個性質，大家碰到一起的時候，能夠幫助消長。一個非常經典的光學實驗，你如果從一個光源，放出一個光，經過一個屏幕，上面有很多的小洞，你在后面再放第二個屏幕，在第二個屏幕上，你就會看到。如果你看得精細的話，屏幕上的這個光，會有一個周期性的現象，有時候亮，有時候暗，從亮到暗，可以看出有一個不同的變化。到底長什么樣子，是根據光學的原理判斷的。

重要的一點是，它這個變化怎么決定的，是由前面的波長、屏幕上的針孔之間的距離、參數所決定的。所以，你如果把這個問題反過來看，你如果看到結果以后，會告訴你原本的光源里面的性質。這個波的傳播，從計算機的角度來講，這個并不是太難做，是可以計算的。

在量子里面，如果說我們想要破解一個密碼，我們可以讓它代表量子里面的量子態，那么，如果這個量子態光學設計設計得好，它就有一個很有意思的結果，就是說你如果去量一量，它會告訴你這個密碼。

你如果做光學實驗，唯一不幸的是光學實驗中所需的時間非常的大，需要有指數性的大小。這個時候有一個重要的事情，如果我們有了量子計算機，它可以指數性地把這個時間降下來。

當然做量子計算機，除了能夠破解密碼，還有很多事情可以應用。如果我們有了量子計算機，我們就可以像現在能夠模仿古典的物理，用我們的計算機做各種事情。

如果有了量子計算機就可以解量子方程式，量子方程式是最重要的一個方程式，如果你能解量子方程式，你就可以解決很多物理上的問題、化學上的問題、生物上的問題，你能夠做很多的事情。

持續推進對量子計算的研究

經過這20多年的努力，科學家已經了解到什么樣的材料是最適合做量子計算機，而且已經基本知道了這個技術藍圖，但是它還是一個非常難的實踐過程。

現在大家已經可以聽到，也許在以后的半年或一年，會有很多地方都會宣布，能夠有50個量子比特、100個量子比特的機器。

這些當然令人興奮，但這離實用還差得很遠，大家都還沒有考慮怎么糾錯，因為在量子計算機里面糾錯是一個非常難的問題，我們可以看到我們現在走到了最后一公里，但也是非常長的一段路程。

我想告訴大家，現在清華大學量子信息中心在做什么事情。現在有用超導做量子比特，也有用離子來做量子比特，甚至用鉆石做量子比特，它們都各有優劣。

另外還做一些拓撲的量子計算，對糾錯特別好，我們在六年以前覺得這個時機已經到了，理論都已經成熟了，工作也都知道往哪個方向開展，所以我們成立了一個量子計算機所，在這個中心里面，所有的科技我們都做。經過這六年，我們已經成為世界上知名的一個量子計算機中心。

另外還做一些事情，就是在量子計算機里面最重要的事情是要做記憶，做記憶兩個事情很重要，一是它需要有很多的存儲，我們最近的一個工作就是在原子上面能夠做出225個記憶體，這個比以前增加了10倍。

另外，我們還希望量子比特存儲得久。我們最近做的一項工作，用的是離子的量子計算。它是先把原子用電離的方式變成離子，然后用鐳射固定、冷卻，同時操縱它。

在這方面，我們有一個新觀念，就是能夠做出一個存儲很久的量子存儲。不只用一種離子，是用兩種不同的離子，其中一個離子來做存儲，另外一個離子幫它的忙，給它散熱。endprint