蒲慕明 王玲

近年來，量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)在科學(xué)界和工業(yè)界都引起了大量關(guān)注?？茖W(xué)家們期望利用材料的量子性質(zhì)，來打破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)小型化的摩爾定律，進(jìn)而建立起新型的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算這一概念是著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在1981年首先引入的。該領(lǐng)域的早期創(chuàng)始人之一，圖靈 獎(jiǎng)獲得者姚期智先生在1993年曾為量子計(jì)算理論基礎(chǔ)的建立做出過 核心貢獻(xiàn)。2011年，姚期智創(chuàng)建清華大學(xué)量子信息中心（CQI），旨在將后者打造成為世界級(jí)的量子計(jì)算研究中心。在近期與《國家科學(xué)評(píng)論》（《National Science Review》， NSR）的一次對(duì)話中，姚期智細(xì)數(shù)了量子計(jì)算的歷史，并表達(dá)了他對(duì)該領(lǐng)域未來發(fā)展的看法。他認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)的任務(wù)包括新材料設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)以及化學(xué)反應(yīng)模擬等方面，但在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)被證明高效的領(lǐng)域，是不太可能取而代之的。

NSR：量子通信和量子計(jì)算受到媒體的廣泛關(guān)注。二者是兩個(gè)不同的概念嗎？

姚期智：量子通信和量子計(jì)算是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)，但是彼此獨(dú)立的概念。量子計(jì)算所需的技術(shù)更為高級(jí)。驅(qū)動(dòng)量子通信發(fā)展的主要目標(biāo)是為保密通信建立密碼學(xué)保障，在量子通信中，從一地到另一地的待傳送信號(hào)不必是高度準(zhǔn)確的。但量子計(jì)算卻要求信號(hào)的高準(zhǔn)確性。在過去十幾年中，谷歌等大型公司開發(fā)出了一些量子計(jì)算相關(guān)的新興技術(shù)。一般的看法是，可用的技術(shù)將在未來五六年中出現(xiàn)。量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)在 20年前就已經(jīng)建立了，現(xiàn)在的問題是如何實(shí)現(xiàn)它。

NSR：量子計(jì)算已然成為熱點(diǎn)話題。它的基本原理是什么？

姚期智：半導(dǎo)體電路小型化的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能不斷提升。然而，這個(gè)小型化存在一個(gè)固有極限——當(dāng)芯片上電路元件的尺寸縮小到納米尺度時(shí)，量子力學(xué)效應(yīng)將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，并影 響元件的性能。這將是摩爾定律的終點(diǎn)。

對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說，這是不可避免的命運(yùn)；但是科學(xué)家們已經(jīng)開始考慮，能否把這種情況下有害的量子現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴摹獦?gòu)建一個(gè)利用由薛定諤方程描述的量子力學(xué)邏輯進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī)，而不再是利用布爾邏輯進(jìn)行計(jì)算的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)這個(gè)理念是費(fèi)曼在1981年首次提出的。他說，原則上，人們可以設(shè)計(jì)一種計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過量子力學(xué)特性來工作，模擬量子系統(tǒng)并采用量子方程得到解。費(fèi)曼的這個(gè)理念在學(xué)術(shù)領(lǐng)域引起了很大重視。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過集成電路利用雙值布爾邏輯（0 和1）發(fā)揮功能。其計(jì)算是：把由比特表示的輸入點(diǎn)映射到更高層次，通過多重映射，得到輸出點(diǎn)以提供最終解。然而，量子計(jì)算機(jī)的量子比特可以表示1、0 或者這兩個(gè)態(tài)的任意疊加。量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算類似于固體的旋轉(zhuǎn)；在這個(gè)類比中，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果類似于測(cè)量固體旋轉(zhuǎn)所得到的讀數(shù)（旋轉(zhuǎn)角度可以是連續(xù)的任意角度）。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的一個(gè)操作，對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的路徑；量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)操作，可以沿著多個(gè)計(jì)算路徑進(jìn)行，而最終達(dá)到的是同一個(gè)目標(biāo)，因?yàn)榱孔硬ê瘮?shù)允許在同一時(shí)刻存在多個(gè)態(tài)。這個(gè)現(xiàn)象就是量子并行性。量子并行計(jì)算是量子計(jì)算機(jī)的速度可以遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵原因。

NSR：就硬件設(shè)計(jì)而言，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別是什么？

姚期智：量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)相對(duì)閉合的系統(tǒng)，其計(jì)算幾乎能夠做到瞬時(shí)完成?；旧?，量子計(jì)算機(jī)表現(xiàn)得十分“羞怯”：一經(jīng)查看，計(jì)算就會(huì)被打斷并停止。此外，量子計(jì)算機(jī)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其涉及到多重前沿性技術(shù)。例如，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元、多個(gè)單元之間 的通信、量子比特態(tài)的調(diào)制等，都需要用到激光器。就量子計(jì)算機(jī) 的材料與制造工藝而言，其不僅代表著過去三四十年中諸多先進(jìn)技術(shù)的集成，還涉及到各學(xué)科間的緊密合作。

NSR：量子現(xiàn)象的不確定性會(huì)影響量子計(jì)算的精度嗎？

姚期智：會(huì)的，但是一個(gè)不確定的答案并不一定是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，有些量子計(jì)算總是能夠得出正確的答案。而且就實(shí)際計(jì)算而言，有一些誤差是可以被接受的，無需100%精確。

NSR：量子計(jì)算機(jī)的概念早在1980年代初期就已經(jīng)出現(xiàn)，但在之后幾十年中似乎進(jìn)展緩慢。

姚期智：的確如此。在費(fèi)曼提出這一理念后，主要是物理學(xué)家在進(jìn)行深入的理論探索。直到20 世紀(jì)90年代初期，在物理學(xué)家基本上闡明了量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行機(jī)制后，計(jì)算機(jī)科學(xué)家才開始進(jìn)入這一領(lǐng)域——我本人也是其中之一。1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Peter Shor設(shè)計(jì)了破解密碼的量子計(jì)算算法，引發(fā)了計(jì)算學(xué)界的廣泛興趣，美國政府和美國宇航局開始投入這一領(lǐng)域。多個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)、嘗試制造第一臺(tái)實(shí)際量子計(jì)算機(jī)的研究團(tuán)隊(duì)也開始出現(xiàn)。

NSR：從那時(shí)開始，主要的進(jìn)展有哪些？

姚期智：自那之后的主要工作是對(duì)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的方案進(jìn)行探討和選擇。在過去十幾年里，為制造量子計(jì)算機(jī)，科學(xué)家們嘗試了各種材料，例如離子阱、超導(dǎo)體和鉆石。最近，拓?fù)浣^緣體也因其自身優(yōu)異的可校正功能而成為備選之一。但是前面還有很長(zhǎng)的路要走，主要困難之一是保持功能態(tài)的超低溫度。

NSR：您認(rèn)為第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)將在何時(shí)出現(xiàn)？

姚期智：許多人預(yù)測(cè)第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)將在未來五六年中出現(xiàn)，但我認(rèn)為，要制造出能夠在數(shù)千量子比特水平上進(jìn)行可靠計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)，絕非易事。谷歌和IBM 等大公司都在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)上斥入巨資。特別是谷歌，它招募了該領(lǐng)域中最重要的專家John Marinis 以及他在加州大學(xué)圣芭芭拉分校的整個(gè)團(tuán)隊(duì)。

NSR：在您的倡議下，清華大學(xué)在2011年建立了量子信息中心（CQI），這個(gè)中心的目標(biāo)是什么？

姚期智：我們的目標(biāo)是打造量子信息的世界級(jí)中心，并為該領(lǐng)域培養(yǎng)下一代科學(xué)家。因此，我們的當(dāng)務(wù)之急就是招募高質(zhì)量研究人員，例如我們招募到的美國密西根大學(xué)費(fèi)米講席教授段路明。過去幾年里，他在我們中心做出了優(yōu)秀的工作。

NSR：采用鉆石系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是 什么？

姚期智：鉆石系統(tǒng)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一，它可以在室溫下運(yùn)行；其二，它具有固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，如果系統(tǒng)能在幾個(gè)量子位水平表現(xiàn)良好，就有可能擴(kuò)展到更大的尺度。除了鉆石系統(tǒng)，我們中心也在進(jìn)行離子阱、超導(dǎo)體和光子網(wǎng)絡(luò)的研究，而且正在做出很好的進(jìn)展。

NSR：量子計(jì)算機(jī)性能卓越，它們是否將會(huì)替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？

姚期智：我認(rèn)為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)將會(huì)共存，因?yàn)槎吒骶邇?yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有量子計(jì)算機(jī)尚不具備的準(zhǔn)確性和成熟度。但相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)將在解決涉及量子力學(xué)效應(yīng)的問題上具備優(yōu)勢(shì)。例如，在材料設(shè)計(jì)、藥物研發(fā)和物理化學(xué)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)將會(huì)展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，而使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)則很難解決這些問題。

NSR：量子計(jì)算機(jī)的硬件和軟 件都與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有很大不同。目前的主要挑戰(zhàn)是什么？

姚期智：量子計(jì)算是一個(gè)典型的跨學(xué)科領(lǐng)域，需要相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家與工程師密切合作，尤其是量子物理學(xué)家與計(jì)算機(jī)科學(xué)家之間的合作。算法的突破將激發(fā)硬件的改進(jìn)，反之亦然。例如，我在上文中所提到的Peter Shor 教授，他不僅證明了量子計(jì)算可以解決密碼破解的問題，還解決了量子計(jì)算中的誤差修正問題。正是基于他的這一研究，物理學(xué)家們開始確信量子計(jì)算機(jī)的可行性。而當(dāng)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到一定階段，將會(huì)需要計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算系統(tǒng)和編程語言都需要被重新設(shè)計(jì)。目前尚不清楚這將怎樣完成，但這是一個(gè)重要的研究方向。許多IT 行業(yè)的領(lǐng)軍公司早已構(gòu)建了大量的項(xiàng)目來發(fā)展量子軟件。

量子計(jì)算方法和算法的研究是一個(gè)具有巨大潛力的領(lǐng)域。過去數(shù)十年中已經(jīng)出現(xiàn)了多個(gè)優(yōu)雅的計(jì)算方法，理論上都很有吸引力。我希望看到更多與實(shí)際相契合的量子計(jì)算方法出現(xiàn)，諸如用于材料設(shè)計(jì)的方法。

NSR：量子計(jì)算機(jī)似乎需要科 學(xué)和制造技術(shù)的共同發(fā)展？

姚期智：沒錯(cuò)。我已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過，在中國，制造量子計(jì)算機(jī)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過只研究量子計(jì)算——因?yàn)檫@將帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)行業(yè)的發(fā)展。這種大工程將激發(fā)科學(xué)家和工程師的潛力，他們會(huì)為了求解特定問題而創(chuàng)造出新方法和新技術(shù)，這些方法和技術(shù)可以在工業(yè)發(fā)展、國家安全等諸多領(lǐng)域中作出有益于社會(huì)的貢獻(xiàn)。

在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，還會(huì)有一些眼前的顧慮。例如，適合于量子計(jì)算機(jī)的鉆石材料依賴于國外進(jìn)口。當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)變得更加激烈，其他國家可能會(huì)拒絕將材料出售給我們。如果我們不自力更生發(fā)展這些材料，未來將很容易受到限制。另外，在該領(lǐng)域工作，無法在短期內(nèi)發(fā)表個(gè)人評(píng)價(jià)和職位晉升所需的文章。除非我們改變現(xiàn)有的評(píng)價(jià)體系，否則很難激勵(lì)研究人員從事這種基礎(chǔ)性研究工作。這些都導(dǎo)致了我們目前仍然依賴于進(jìn)口的材料和技術(shù)?！?/p>