姚期智:量子计算机进入“最后一里路”

最近几年,量子计算是一个相当热门的话题,在中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智看来,我们已经来到了量子计算机诞生的“最后一里路”,但这最后一段距离将极为艰难。

在11月5日的腾讯WE大会现场,姚期智院士以“量子计算时代的来临”为主题进行演讲。在解读量子计算原理与研究进展之余,姚期智还畅想了量子计算的未来:当量子计算与人工智能结合,我们可能创造出连自然本身都难以想象的事物。以下为姚期智院士演讲全文:

在学术期刊、普通的报纸杂志上,量子计算都是一个相当热门的话题,那到底量子计算是什么?为什么量子计算能比经典的计算机快那么多,对大多数人来讲,仍然还很神秘。

所以我将在今天的演讲中来揭开这个面纱,我先给一个简短的介绍,也是一个相当有深度的介绍。

20多年以前,人们发现量子计算机有一个非常奇怪的功能。大家知道RSA是一个现在常用的密码系统,大家觉得这是一个高度安全的密码系统,但是有了量子计算机以后,科学家证明这个系统变得不安全了,这是怎么一回事?

比如说,我们想用一个RSA的密码系统,用400位数的整数来做一个密钥的话,用现在用最大的、最好的超级计算机,需要60万年才能够做出来。但是如果在将来,一个量子计算机具有相当的储存功能的话,三个钟头就可以做出来。我这里用的数字是科学家最保守的估计,一般人都认为用比三个钟头小的很多的时间就可以做出来。光是这样,你就可以看到量子计算机能够破解现在没有办法破解的密码,这震惊了全球学术界。

在我的演讲里面,我们想要回答两个一般人最想问的问题:

第一,量子计算为什么是一个革命性的计算原理,它和经典计算机的区别到底在哪里?它为什么会这么快?

第二,量子计算机什么时候会出现?

对于第二个问题,我们的了解是量子计算机现在基本上已经是呼之欲出,可以称为one the verge of realization 。我们已经进入一个能看到量子计算机将要做出来的时间段,我们可以把它叫做最后的一里路,但这会是一个非常艰难的,也是需要经过一段时间的最后一里路。

所以说我在演讲里面,我要给大家一个有深度的解答,关于这两个问题。

第一,它到底是什么原理;

第二,它为什么是非常长的一里路。我们现在这些一般做量子计算机的科学家,他们现在的研究到底是哪一类的工作?

最后,量子计算机虽然它能够做很多事情,我们想要把它放到更大的视野来看,量子计算在整个计算的框架,甚至在整个21世纪的科学里面,它有什么样的位置?有没有更高的价值?

我们要谈这些事情。

我们现在先谈量子计算机为什么和传统计算机完全不一样。我们中国有一个很古老的寓言,是说“杨子见歧路而哭之”,杨朱看到有一只羊走失了,他走到了分叉的地方,他不知道羊在哪一条路上,这个时候他就不能够决定,觉得很悲伤,因为看起来唯一的方法,就是你必须先去走一条路,然后再走另外一条路。这代表着我们在做计算机的一个计算问题时,我们想要找一个答案,常常要搜索好几个不同的方向,来看到底哪一个方向才能够给你一个答案。所以说传统计算机就有这样的问题。

在量子世界里面,这个问题能够得到解决。

我们可以这样想,在传统的世界里面,杨子看到有歧路,我们脑筋里面出现的一个景象,最好的解决方法是什么呢?如果杨子是孙悟空的话,这个问题就解决了,因为我在头上拔几根毛,变出很多个小孙悟空,每个人都走不同的路。这样的话,大家可以同时搜索,搜索的时间就短了,一个难的问题就变得容易了。

而在量子世界中,这些最微小的粒子本身就具有孙悟空一样的能力。所以,这是一件非常神奇的事情,在这种最微小的量子世界里面,一个小孙悟空可以一下子变成两个孙悟空,有一半的他走一条路,另外一半走另外一条路。

所以在量子世界里面,在这些最小的分子、原子之下,如果我们能让这些“小孙悟空”有非常好的配合,能够让他们所有的分身全部分开,大家一起合作。换句话说,就是实现了平行计算,基本上等于有无限多个能够运作的计算器给你用。

这种能够分身的魔术,并不是在所有的计算问题里面,都能够达到这个效果。不幸的是,量子物理世界在原理上还有其他结果。但是,有时候它可以做到。

我们现在看看,我们刚刚讲的ISA密码破解的时候,他用的原理是怎么一回事。

在经典物理里面,有一个和量子相似的情况,就是光。光有一个性质,大家碰到一起的时候,能够帮助消长。一个非常经典的光学实验是,一个光源发出的光,经过一个屏幕,上面有很多的小洞,你在后面再放第二个屏幕。在第二个屏幕上,如果看得精细的话,你会看到屏幕上的光,会有一个周期性的变化:有的时候亮,有时候暗,从亮到暗,可以看出有一个不同的变化。到底长的什么样子,它是根据光学原理判断的。

重要的一点是,这个变化是由前面的波长、屏幕上的针孔之间的距离、参数所决定的。所以,你如果把这个问题反过来看,你看到结果以后,会告诉你原本的光源里面的性质。

这个波的传播,从计算机的角度来讲并不是太难做,是可以计算的。

在量子里面,如果我们想要破解一个密码,我们可以把它代表成量子态。如果这个量子态的光学设计做得好的话,你去量后面的这个图形时,它会告诉你这个密码。

这样,在一个不太长的时间,你就能够量出这些有意思的图形,反推回去就可以查出它原本的密码。这并不是随便写出来的,我们刚刚讲的破解RSA,就是用这个原理。

当然做量子计算机,除了破解密码还有很多应用,最重要的是,如果我们有了量子计算机,我们就可以解量子方程式,从而解决很多物理、化学、生物上的问题,能够做很多的事情。量子计算机和人工智能也有关系,这个等一下我们再谈。

实际上在很多机构,经过这一二十年的努力,在建设量子计算机的过程中,现在已经取得了相当大的进步,我现在就把现在世界上做量子计算机所用的科学技术介绍一下,同时我介绍一下在我们清华大学量子信息中心所做的工作。

经过这20多年的努力,科学家已经基本了解了什么样的材料是最适合做量子计算机的,并且这个蓝图基本上是有了,但还需要一个非常艰难的实践过程。

也许在接下来的半年、一年中,有很多地方都会宣布,做出50个量子比特、100个量子比特的机器。这些当然令人兴奋,但离实用还差的很远。现在大家都还没有考虑怎么纠错,因为在量子计算机里纠错是一个非常难的问题。我们可以看到我们现在进到了最后一里路,但也是非常长的一里路。

在清华大学量子信息中心,现在团队有用超导做量子比特,也有用离子来做量子比特,甚至用钻石做量子比特,它们都各有优劣。比如说钻石,我们大家都喜欢钻石,它真正的优势是,它是一个固体,同时能够在常温下工作,不需要特地营造低温环境。如果有一天要做一个钻石量子计算机,像钻石量子计算机又赏心悦目又有面子,你可以放在你的桌子上。

另外,我们还做一些拓扑的量子计算,这项工作对纠错特别重要。我们在六年前就觉得,这个时机已经到了,因为理论都已经成熟了,也都知道应该往哪个方向研究,所以我们成立一个量子计算机所。经过这六年,这里已经成为世界上相当知名的一个量子计算机中心。

我随便讲一些我们的工作,譬如说我们做出第一个能够纠错的量子计算机,虽然只是在一个很小的基础上做的。

另外我们还做一些事情,在量子计算机里面最重要的事情是记忆,做记忆有两件事情很重要:一是它需要有很多的存储,我们最近的一个工作就是在原子上面做出225个记忆体,是以前的10倍。

另外,我们还希望量子比特存储得更久,而不是0.01秒就消失了。我们最近做的一项工作,用的是离子的量子计算。离子很有意思,它是先把原子用电离的方式做成变成离子,然后用镭射固定、冷却,同时操纵它。

我们从中产生一个新的观念,能够做出一个存储很久的量子存储。不只用一种离子,而是用两种不同的离子:一个离子做存储,另外一个离子帮它散热,所以存储时间比以前增加很多倍。

最后,我讲讲量子计算在科学里面占什么样的地位。我想和大家说,对我来说最兴奋的未来,就是现在两个最热门的题目——量子计算和人工智能可以结合在一起。人类想要了解自然界是怎样造出这么聪明的人,通过人工智能,我们想要达到这个境界。

如果说,我们能够把量子计算用到这个过程中,我们可能比大自然更聪明。我们也做了一些量子计算与人工智能结合的工作。

宇宙给了我们两个很大的挑战,第一个是宇宙告诉我们,量子物理能够做出很精妙的事情,但如果没有量子计算机,我们就不能引领它的发展;第二个挑战是,人工智能能否为我们实现大自然所做孕育出的智慧。

如果我们能够让量子计算机和AI碰撞在一起,我们可能实现连大自然都没有想到的事情,谢谢大家!

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