中国量子计算机的崛起

相信大多数人都已经被类似“中国量子计算机诞生，创世界纪录”的文章刷屏。这是因为潘建伟教授及其同事在《自然光子学》期刊发表了一篇关于高效多光子玻色取样[1]的论文。另外，在三月份的时候，潘建伟教授等人还在论文预印网站arxiv.org发表了两篇关于超导体系中首次实现十个超导量子比特的纠缠[2]，以及快速求解线性方程组的量子算法[3]的论文，后者将会发表在《物理评论快报》。

那么究竟什么是量子计算机？潘建伟团队制造出世界上第一台量子计算机了么？

故事要回到1981年。当时，理论物理国际期刊收到了一篇题为《利用计算机模拟物理学》的论文[4]：

△ 费恩曼在1981年提交的论文中提到了量子计算机。（图片来源：Feynman）

这篇论文的作者是诺贝尔物理学奖得主费恩曼，他在论文中首次提到了一种全新的计算机——量子计算机（Quantum Computer）。

 什么是量子计算机？ 

我们正在使用的计算机（为了便于区分，下面我都称之为经典计算机）的操作严格遵守着逻辑法则。但是微小的量子物体，比如电子、或光子等，可以打破这些规则。

基于这些打破经典的量子规则，量子计算机的想法就此孕育而生，它以一种全新的方式处理信息。使它们的运算速度在某些方面相比经典计算机要呈指数增加。

△ 量子计算机对数据安全造成了巨大的威胁。（图片来源：BGR）

举个例子，量子计算机可以轻而易举的就破解信息安全机制。现在你查看的邮件和银行数据都是由安全机密系统所保护着的，借由你给所有使用者不同组的公开密匙来加密只有你能解密的信息。比如现在应用最广的RSA 加密方式 （由Ronald Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman）是基于一个简单的共识：即基于经典计算机的逻辑运算法则下，分解整数的质因数过程是一个复杂的计算过程。分解一个整数N，需要 N^(1/2) 量级的运算次数。当这个数字的位数（在二进制下）足够多时，这个分解的过程就变得不可能，数据加密就无法被解密。但如果应用基于量子计算逻辑的 shor's algorithm（见下文），整个分解的过程就会被缩减位log₂N量级的运算次数，这就意味着目前最安全的加密方式，几分钟就可以破解，而经典计算机可能需要永远。但通过量子计算机，迅速破解信用卡、国家机密和其它机密资料都不在话下。

 量子计算机可以取代经典计算机吗？ 

当我们说量子计算机的处理速度要比经典计算机快许多的时候，的确，这很容易让人误解如果科学家成功研制出量子计算机，是否就可以取代现在我们所使用的经典计算机。

△ 量子计算机并不是完全“量子”的，它仍需要一堆电子设备来完成基本工作。（图片来源：Naoya Fujishiro）

而事实是，量子计算机并不是在任何情况下都比经典计算机更加快，而只有在特定的任务中才会表现的非常出色。如果你只是想看高清的影片、浏览网页或处理文件，量子计算机并不会带来什么进步。量子计算机的处理速度更快的魔法并不在于它处理各个步骤的速度加快了，其关键在于它减少了处理步骤的数量（下文有更多讨论），不过只有在特定的计算中才是这样。所以，它无法取代经典计算机。

某种程度上说，量子计算机和经典计算机的关系，就好像激光和白炽灯的关系。我们不会用激光去取代白炽灯进行照明，但同样的白炽灯也无法取代激光在我们日常生活中所取到的各种作用。比如：我们每天使用的宽带网络，就是基于激光能在在光纤中的长距离传输。

 那量子计算机可以用来干嘛？ 

量子计算机应该会被大量的应用在政府组织、研发公司和大学之中，用以解决目前经典计算机无法解决的问题。

△ 1981年，费恩曼在他的论文中首次提出了量子计算机，并且可以用于模拟量子系统。（图片来源：Feynman）

当费恩曼提出量子计算机时，就想到了它的第一个实际用途：模拟量子系统。为什么不用量子计算机来模拟量子物理呢？这是一个绝妙的想法。至少它会对化学和生物学产生重大影响。例如，化学家可以准确地模拟药物间的相互作用，而生物学家则可以研究蛋白质折叠的所有可能方式，以及它们之间的作用等。

虽然起初对量子计算机的研究纯粹只是出于学术上的好奇，但到了1994年，贝尔实验室的数学家彼得·肖尔（Peter Shor）提出了大数因数分解的算法[5]（大数因素分解是指大数字的质因数分解，如下图中的例子），才激发了人们对量子计算机的研究热情和兴趣。一个非常大的数字，经典计算机可能需要数十亿年的时间将它分解，但通过肖尔的方法只需要几个小时就可以解开。

△ 15的质因数是3×5，91的质因数是7×13，一个具有232位的数字的质因数又是多少？（图片来源：Jose-Luis Olivares/MIT）

量子计算机在识别数据的模式上也有巨大的优势，这对机器学习问题很有用，比如可以识别在图像中的不同物体。它们也可以被用以建立预测未来的模型，如长期的天气预测。

这些只是一些可以预见的用途，但最终，量子计算机的能力是无法被预测的。回到1943年，IBM公司的总裁托马斯·沃森宣称：“我认为全世界只需要差不多五台计算机。” 现在家家户户可能都有五台。

而量子计算机的潜力，也是无法想象的。

 量子计算机是如何运作的？ 

经典计算机中的芯片包含模组，模组包含逻辑门，逻辑门包含晶体管。晶体管代表着计算机的处理器里一个最简单的形态。简单说是个可以阻挡、通过信息的开关。我们用 “开”，存储数字 1，用关，存储数字 0 。每个 0 或 1 代表一个二进制数字（即比特）。比特代表着信息的最小单位。

△ 比特只能储存 1 或者 0 ，而量子比特可以同时储存多个值。（图片来源：https://universe-review.ca/R13-11-QuantumComputing.htm）

而量子计算机用来储存数据的对象是“量子比特”，它可以储存 0 或 1。但疯狂的是，量子比特也能达到混合状态，称之为“叠加态”。也就是说，量子比特能同时存储 1 或 0 或者既是 1 又是 0，它代表着 0 和 1 之间所有可能的叠加状态。这种模糊性——可以同时“是”和“不是”——正是量子计算机的独特魅力。

虽然你无法预测量子比特会处于哪个状态，但当你测量它的瞬间，它将会坍缩成一个固定的状态。

 量子叠加态的性质是如何改变游戏规则的？ 

经典计算机和量子计算机的根本区别在于它们解决问题的方式。

经典计算机解决一个问题的方式就类似于你试图逃离一个迷宫——尝试所有可能的走道，途中会遇到死路，直到你最终找到出口。而叠加态的魔力则在于，它允许量子计算机在同一时间尝试所有的路径，也就是说，它会迅速的找到一条捷径。

经典计算机中的两个比特可以有四种不同的组合（即 00、01、10或11），但它们每次只能处于其中的一个状态。这就限制了计算机的处理速度，就好像在迷宫中要尝试一个个走道。

△ 四个比特有16种不同的组合，但一次只能代表其中的一个。（图片来源：Kurzgesagt ）

在量子计算机中，两个量子比特同样也有四种态（00、01、10或11）。不同的是，由于叠加态，两个量子比特可以同时处于这四种状态。有点像四台经典计算机同时并行工作。

如果在经典计算机中增加更多的比特，它依旧只能在一个时间内处理一个态。但是当你增加量子比特时，量子计算机的能力就会以指数式增长。从数学上来说，如果有“n”个量子比特，就可以同时代表2的n次方个态。

在一个著名的传说中，国际象棋的发明者印度人塞萨（Sessa）向他的国王请求赏赐，他说，希望因为发明国际象棋棋盘的第一个格而得到一粒米，因为第二个格得到两粒米，因为第三格得到四粒米，如此在每后一个格都增加一倍的米量。国王欣然答允，事后才意识到即使整个国库的米也无法填满整个棋盘啊！这便是指数级增长的力量。

△ 20个量子比特就可以平行存储约100万个数值。（图片来源：Kurzgesagt ）

就像上面的每一个格增加一倍的米量，每一个额外的量子比特都把处理能力翻倍。三个量子比特可以同时代表8（= 2³）种状态；四个量子比特则可以同时代表16（=2⁴）种状态。64个呢？你会得到18,446,744,073,709,600,000（=2⁶⁴）的可能！

虽然64个比特也代表了2⁶⁴种状态，但它一次只能代表其中一种。要循环所有这些组合，一台现代的个人计算机需要400年的时间。

所有这些都体现出了量子计算机的优越性。虽然目前它无法取代经典计算机，但对于经典计算机而言“几乎不可能的任务”，量子计算机都可以解决。

 除了量子叠加态，还有其它重要性质吗？ 

但为了得到指数式的计算速度，所有的量子比特都必须通过一种叫做“量子纠缠”的过程联系在一起。爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用”（详细讨论可阅读《宇宙贝尔实验》）。

△ 纠缠的两个粒子。起初两个粒子处于自旋向上或向下的状态，一旦知道了其中一个自旋状态，我们就立即知道另一个的自旋状态，无论相距多远。（图片来源：Jen Christiansen）

举个例子，在上图中，起初被纠缠的两个粒子都处于自旋向上或向下的叠加态。一旦我们通过测量知道了第一个粒子的自旋是向上的，那么第二个粒子的自旋肯定向下，即使它们相隔宇宙的两端。当有多个量子比特被纠缠的时候，对其中的一个量子比特的操作就会瞬时影响所有其它的量子比特，就意味着空前的并行运算能力。

 量子霸权（通用量子计算机） 

一般认为需要50个量子比特，才能证明量子霸权超越经典逻辑计算机的极限 ，即有真正的实用价值，并让它们结合起来成为可储存和可操作的量子处理器。

50个逻辑量子比特就可以描述量子霸权[6]， 而要这50个逻辑量子比特稳定的工作需要几千个物理量子比特去实现误差校正，即去维持量子叠加态，需要巨大的物理资源。

即使在超低温下，环境因素的影响降到最低，不同量子比特的相互作用，也会让量子比特丢失量子相干性，而一切量子计算机都是基于量子相干性。而且量子比特的数量越多，相互之间的作用就更不可控。 所以即使增加一个逻辑量子比特也是很艰巨的任务。

当然，这是在通用量子计算模型下，证明量子霸权。由Aaronson和Arkhipov于2013年提出，是一种基于线性光学的量子计算机模型，虽然是非-通用的模型，但是在取样和寻找问题方面可以体现量子霸权。 而这种模型的优势就是，所需要的物理资源大大减少。

△ 单一的光子是一种量子比特，0 和 1 可能存在的状态就像是光子横向或纵向的偏振，在量子世界，光子可以同时表现出所有的偏振状态。直到你把一个光子送到滤光器，它必须决定自己是纵向或横向偏振。（图片来源：Kurzgesagt）

而潘建伟团队做的玻色采样，即是在光子平台上，对这一模型的实现。他们通过电控可编程的光量子线路，首次在国际上实现5光子玻色采样。他们的结果表明，该原型机的取样速度比国际同类实验加快至少24000倍，也比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10-100倍。可以说这是历史上第一台超越最早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机。

△ 光量子计算原型机。（图片来源：中青报·中青在线）

此外，科学家也利用超导线路中的电磁振荡作为量子比特。这些作为量子比特的线路可以取值 0（没有光子通过）或 1（有微波光子）。先前谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵，但这一记录已被潘建伟团队打破。此次他们研发了10个超导量子比特的线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。

目前，世界各大实验室都竞相在研发第一台能够实现“量子霸权”的量子计算机。究竟谁会拔得头筹，我们拭目以待。

参考来源：

【1】http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html

【2】https://arxiv.org/abs/1703.10302

【3】https://arxiv.org/abs/1703.06613

【4】https://people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Feynman.pdf

【5】https://arxiv.org/pdf/quant-ph/9508027v2.pdf

【6】https://arxiv.org/abs/1608.00263

【7】文汇网/中国青年报