姚期智

現(xiàn)在，量子計(jì)算在學(xué)術(shù)期刊上，在普通報(bào)紙雜志上，都是一個(gè)相當(dāng)熱門，并且常常被談到的題目，那到底量子計(jì)算是什么？為什么量子計(jì)算比經(jīng)典的計(jì)算機(jī)能夠快那么多，這些對(duì)大多數(shù)人來講，仍然還很神秘。

量子計(jì)算會(huì)讓世界變成什么樣

我今天的演講就是要來揭開這個(gè)面紗，我先來一個(gè)簡(jiǎn)短的介紹，也是一個(gè)相當(dāng)有深度的介紹。

20多年以前量子計(jì)算機(jī)被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)非常奇怪的功能，大家知道RSA是一個(gè)現(xiàn)在常用的密碼系統(tǒng)，大家覺得這是一個(gè)高度安全的密碼系統(tǒng)，但是當(dāng)有了量子計(jì)算機(jī)以后，科學(xué)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(gè)RSA的密碼系統(tǒng)，用400位數(shù)的整數(shù)來做一個(gè)密鑰的話，用現(xiàn)在最大的、最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)，需要60萬年才能夠做出來。但是如果在將來有了相當(dāng)存儲(chǔ)功能的量子計(jì)算機(jī)之后，三個(gè)小時(shí)就可以做出來。

我這里用的數(shù)字是科學(xué)家們最保守的估計(jì)，一般人都認(rèn)為它能夠比三個(gè)小時(shí)少很多的時(shí)間就可以做出來。這樣你就可以看到量子計(jì)算機(jī)能夠破解現(xiàn)在沒有辦法破解的密碼，這個(gè)震驚了世界學(xué)術(shù)界。

這里，我們想要回答兩個(gè)一般人最想問的問題：

第一，量子計(jì)算為什么是一個(gè)革命性的計(jì)算原理，它和經(jīng)典的計(jì)算機(jī)到底不同在哪里？它為什么會(huì)這么快？第二，量子計(jì)算機(jī)什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)？

對(duì)于第二個(gè)問題，我們的了解是量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在基本上已經(jīng)是呼之欲出。我們已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)能看到量子計(jì)算機(jī)將要出現(xiàn)的時(shí)間段，我們可以把它叫做最后的一公里，但這會(huì)是一個(gè)非常艱難的，也是需要經(jīng)過一段時(shí)間要走的最后一公里。

雖然量子計(jì)算機(jī)能夠做很多事情，但當(dāng)把它放到更大的視野來看，量子計(jì)算在整個(gè)計(jì)算的框架，甚至在整個(gè)21世紀(jì)的科學(xué)里面，它有什么樣的位置？有沒有更高的價(jià)值呢？

我們現(xiàn)在先談量子計(jì)算機(jī)為什么和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不一樣。我們中國有一個(gè)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(gè)時(shí)候他就不能夠決定，覺得很悲傷，因?yàn)榭雌饋砦ㄒ坏姆椒?，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?cè)谟龅揭粋€(gè)計(jì)算問題的時(shí)候，想要找一個(gè)答案，常常要搜索好幾個(gè)不同的方向，來看到底哪一個(gè)方向才能夠給你一個(gè)答案。所以說傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就有這樣的一個(gè)問題。

在量子世界里面，這個(gè)問題能夠得到解決。

我們可以這樣想，在傳統(tǒng)的世界里面，楊子看到有歧路，我們腦筋里面出現(xiàn)的一個(gè)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(gè)問題就解決了，因?yàn)槲以陬^上拔幾根毛，變出很多個(gè)小孫悟空，每個(gè)人都走不同的路。這樣的話，大家可以同時(shí)搜索，搜索的時(shí)間就短了，一個(gè)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(gè)非常神奇的事情，在這種最微小的量子世界里面，一個(gè)小孫悟空可以一下子變成兩個(gè)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?cè)谝环N適合的情況下，他們真的能夠有一個(gè)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(gè)就是達(dá)到了我們的平行計(jì)算，基本上等于有無限多個(gè)能夠運(yùn)行的計(jì)算器讓你用。

這種能夠分身的魔術(shù)，并不是在所有的計(jì)算問題里面都能夠達(dá)到這個(gè)效果，不幸的是，量子物理世界在原理上還有其他結(jié)果。不過，有時(shí)候它可以做到。

我們現(xiàn)在看看，我們剛剛講的RSA密碼破解的時(shí)候，他用的原理是怎么一回事。

在經(jīng)典物理里面，它有一個(gè)和量子相似的情況，這個(gè)就是光，光有一個(gè)性質(zhì)，大家碰到一起的時(shí)候，能夠幫助消長(zhǎng)。一個(gè)非常經(jīng)典的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，你如果從一個(gè)光源，放出一個(gè)光，經(jīng)過一個(gè)屏幕，上面有很多的小洞，你在后面再放第二個(gè)屏幕，在第二個(gè)屏幕上，你就會(huì)看到。如果你看得精細(xì)的話，屏幕上的這個(gè)光，會(huì)有一個(gè)周期性的現(xiàn)象，有時(shí)候亮，有時(shí)候暗，從亮到暗，可以看出有一個(gè)不同的變化。到底長(zhǎng)什么樣子，是根據(jù)光學(xué)的原理判斷的。

重要的一點(diǎn)是，它這個(gè)變化怎么決定的，是由前面的波長(zhǎng)、屏幕上的針孔之間的距離、參數(shù)所決定的。所以，你如果把這個(gè)問題反過來看，你如果看到結(jié)果以后，會(huì)告訴你原本的光源里面的性質(zhì)。這個(gè)波的傳播，從計(jì)算機(jī)的角度來講，這個(gè)并不是太難做，是可以計(jì)算的。

在量子里面，如果說我們想要破解一個(gè)密碼，我們可以讓它代表量子里面的量子態(tài)，那么，如果這個(gè)量子態(tài)光學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)得好，它就有一個(gè)很有意思的結(jié)果，就是說你如果去量一量，它會(huì)告訴你這個(gè)密碼。

你如果做光學(xué)實(shí)驗(yàn)，唯一不幸的是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中所需的時(shí)間非常的大，需要有指數(shù)性的大小。這個(gè)時(shí)候有一個(gè)重要的事情，如果我們有了量子計(jì)算機(jī)，它可以指數(shù)性地把這個(gè)時(shí)間降下來。

當(dāng)然做量子計(jì)算機(jī)，除了能夠破解密碼，還有很多事情可以應(yīng)用。如果我們有了量子計(jì)算機(jī)，我們就可以像現(xiàn)在能夠模仿古典的物理，用我們的計(jì)算機(jī)做各種事情。

如果有了量子計(jì)算機(jī)就可以解量子方程式，量子方程式是最重要的一個(gè)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(xué)上的問題、生物上的問題，你能夠做很多的事情。

持續(xù)推進(jìn)對(duì)量子計(jì)算的研究

經(jīng)過這20多年的努力，科學(xué)家已經(jīng)了解到什么樣的材料是最適合做量子計(jì)算機(jī)，而且已經(jīng)基本知道了這個(gè)技術(shù)藍(lán)圖，但是它還是一個(gè)非常難的實(shí)踐過程。

現(xiàn)在大家已經(jīng)可以聽到，也許在以后的半年或一年，會(huì)有很多地方都會(huì)宣布，能夠有50個(gè)量子比特、100個(gè)量子比特的機(jī)器。

這些當(dāng)然令人興奮，但這離實(shí)用還差得很遠(yuǎn)，大家都還沒有考慮怎么糾錯(cuò)，因?yàn)樵诹孔佑?jì)算機(jī)里面糾錯(cuò)是一個(gè)非常難的問題，我們可以看到我們現(xiàn)在走到了最后一公里，但也是非常長(zhǎng)的一段路程。

我想告訴大家，現(xiàn)在清華大學(xué)量子信息中心在做什么事情?，F(xiàn)在有用超導(dǎo)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(yōu)劣。

另外還做一些拓?fù)涞牧孔佑?jì)算，對(duì)糾錯(cuò)特別好，我們?cè)诹暌郧坝X得這個(gè)時(shí)機(jī)已經(jīng)到了，理論都已經(jīng)成熟了，工作也都知道往哪個(gè)方向開展，所以我們成立了一個(gè)量子計(jì)算機(jī)所，在這個(gè)中心里面，所有的科技我們都做。經(jīng)過這六年，我們已經(jīng)成為世界上知名的一個(gè)量子計(jì)算機(jī)中心。

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

另外，我們還希望量子比特存儲(chǔ)得久。我們最近做的一項(xiàng)工作，用的是離子的量子計(jì)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(shí)操縱它。

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