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！