一般计算机用上亿年才能解决的难题，量子计算机只需数分钟。凝聚态物理国家实验室首席科学家丁洪认为，量子计算可能在三、五年后实现。
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凝聚态物理国家实验室首席科学家丁洪：量子计算将是第四次工业革命引擎 | 李牮：从奇异粒子到量子计算
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本文转载自科学加
中国科学院物理所研究员、凝聚态物理国家实验室首席科学家丁洪，12月10日在首都科学讲堂揭开量子计算机的神秘面纱。
以下为讲座实录：
很高兴在这里和大家面对面谈一谈量子物理。量子物理是一个很烧脑的学科。曾经有一位著名的物理学家说过，世界上没有真正懂得量子物理的人。
量子力学自上世纪初提出后，逐渐开始发挥巨大作用。可以说，我们现在使用的现代工具，都是基于量子力学，比如说计算机、手机、led照明灯，其实都运用了量子物理。
量子计算机，将是第四次工业革命的引擎。在过去，工业革命出现过3次，第一次是以蒸汽机为主要动力的工厂生产时代；第二次是电机和内燃机的产生，人类进入了生产力大幅度提高的电气时代；第三次工业革命，是应用信息控制技术的革命，以计算机为主。
▲第三次工业革命，自动化、信息化
现在，我们又进入了一个新的时代，以互联网、大数据和人工智能开始的第四次工业革命即将来袭。但是，第四次工业革命需要依靠计算机的进一步升级。而经典计算机的发展，目前碰到了瓶颈。
从1970年到2005年，计算机的发展速度十分迅速，并遵循一个摩尔定律——每隔十八个月，集成电路上可容纳的元器件数目大约增加一倍，这意味着计算机的计算性能增加一倍。
▲从1970年到2005年，每隔一年半，电脑集成电路上可容纳的元器件数目大约增加一倍
2005后，经典计算机的发展进入了一个缓慢的趋势。首先，因为随着计算机的元器件数量增多，产生的热量不断增大。其次，随着元器件变小，电子会发生量子隧穿现象（注：量子隧穿是电子等微观粒子，能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象）。
而发明量子计算机，是突破瓶颈的一个方法。
“违背常识”的量子物理
何为量子？其实就是足够小的事物，例如电子、原子、光子都是。量子是构成物质的基本单元，也是能量最基本的携带者。
量子物理与经典物理有两个不同的地方，其中一个是量子叠加。量子叠加是什么？在经典物理中，任何物质的“态”从宏观上看都是确定的。比如，将一本书放在桌子上，不是正面就是反面，可能出现的态是确定的。但是量子不一样，它可以将正面和反面叠加在一起，成为一个并不确定的态，这就是所谓的量子叠加态。
▲量子叠加态
再做一个比喻，电子自旋，方向可能是向上，也可能向下。但是它有一个叠加态是一半向上一半向下，是不确定的。
在过去，人们一直没有发现其中的问题，直到“薛定谔猫”的提出。薛定谔是量子物理的伟大奠基人，量子物理中最重要的就是薛定谔方程，量子世界所有的事物都遵守这个方程。
薛定谔提出设计一个实验，在笼子里放一只猫，里面放置一个装满毒气的装置。装置有一个开关，用电子的自旋状态去控制，如果它自旋向上就会将开关打开，放出毒气毒死猫。如果自旋向下，猫就会安全。那么当电子处于叠加态，猫会如何呢？答案是猫一半是活的，一半是死的。
这个实验结果是不可想象的，很长时间里该理论在一直被认为是谬论。而现在，已经有实验能够证明它是对的，但是用的不是猫，而是宏观事物。
量子通讯为什么厉害？
量子物理与经典物理的第二个不同，是量子纠缠。什么是量子纠缠？举个例子，比如说两个粒子一个自旋向上，另一个自旋向下，这种相对关系是确定的。若是我们拉开这两个纠缠的电子，让它们距离很远。经过测试，发现其中一个自旋向上，那么在远处的另一个粒子就一定是向下的。
爱因斯坦否定了这个理论，因为在相对论里，信息传播的速度是不可能超过光速的，所以爱因斯坦认为发生量子纠缠的一个粒子的状态，不可以立即影响到远处的另一个，这种信息传递速度是超光速的。但是近年来，量子纠缠愈发被证明是对的，而且开始被人类所利用。其中，它最大的用途就是量子通讯。
▲量子通讯
量子通讯厉害在哪里呢？首先体现在信息的保密上。现在，为了保证信息内容的保密性，我们会在其中加入密钥，量子通讯的密钥是很难破解的。而且在量子通讯中，信息一旦被“偷”就会被发现。
另外，量子通讯利用量子纠缠，能够将信息传送很远的距离。在宇宙中，通过虫洞可以从一个时空很快地到达另一个遥远的时空。我们可以认为，量子纠缠就是量子世界中的“虫洞”。
超强的计算能力
量子计算机的计算能力是很强大的。经典比特中，（注：比特是计算机专业术语，是信息量单位。）0和1是其确定的一组比特，只能包括一个信息。量子比特不一样，除了确定了的0和1，它还可以处于一种叠加态，所以量子比特包括两个信息。
这决定了相对经典计算机，量子计算机的计算能力将成指数增长。1个量子比特储存两个信息数目，两个储存4个，4个储存8个，到50个时候，也就会具有100万亿个信息。理想状况下，利用这50个量子比特算一次，原则上相当于进行一百万亿次经典运算，这个数字基本上超过了现在的超级计算机。
我举一个例子，来讲一下指数增长的威力。这是一个古老的故事，国际象棋的发明者是一个印度人。当时，国王要奖励他，就问他：“你想要什么？”。他说自己想要的很简单，就是在国际象棋盘第一个格子里放1粒麦子，第2个放两粒，第3个放4粒，第4个放8粒，也就是每个格子的麦粒数，要是之前的2倍。
国王一听，认为这是小意思，需要多少麦粒都给他。结果却发现，这是个天文数字。若是按照这种方式将棋盘中64个格子都放满地话，需要多少粒麦子呢？答案是184亿亿！
上世纪90年代，数学家提出了两个量子算法，一个是无序数据库搜索，另一个是大数分解。什么是无序数据库搜索？举一个例子，假如我们现在要在含有100个电话的手机电话薄里面找出一个人的号码，用经典算法的话，需要运算50次（100/2）；而用无序数据库搜索，则只需要运算10次（√10）。这种算法可以提高地图导航的效率，和大数据的搜索速度。
大数分解的量子算法是什么？再来看一个例子，将57因式分解会得到3×19的结果。在这个计算过程中，可以先用57÷2，不行再除以3，一个一个试。但是对于一个特别大的数，比如18070820886874048059……1781887966563182013214880557，就很难用这种方式将它分解。针对这个问题，经典计算机是不能在短时间内给出答案的，量子计算机却可以。这两种方法的速度通过下图能够显示出来，当对于一个问题，经典计算机需要计算的次数已经超越了1035次时，用量子计算机需要计算的次数却并不多。
因式分解在信息加密中，有非常大的用途。RSA加密（注：RSA是目前最有影响力和最常用的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。），就是利用了因式分解。
RSA加密有公钥和密钥，公钥=密钥1×密钥2。现在，通用的是1024RSA，其中，1024就是公钥指数的位数。过去，人们认为若是用一个2006年的高性能计算机工作站，将1024位数的公钥进行因式分解，需要10万年；而要用2048位，预计到2042年也需要3亿年的时间，这是根本无法破解的。
这种情况被量子计算机颠覆了。
使用量子计算机，破解1024位数的公钥只需要4.5分钟，2048位数只需要36分钟，就算4096位数，用4.8个小时也就破解了。
可以说，对于量子计算机来说，RSA加密是没有用的。中国不知道美国现在是否有量子计算机，如果有，那么我国的外交、军队的部署与调度都会被知道，这也正是中国大力发展量子通讯的原因。
量子计算机5年后可能就会实现
但是，量子计算字并不能取代经典计算机。对于指数发散的问题，量子计算机的计算速度优于经典计算机。但是对于某些其他的问题，经典计算机还是有优势的。量子计算机和经典计算机的关系就像激光和白织灯，我们都知道，激光能做许多白织灯不能做的事情，但是却不能取代白织灯。
▲激光能做许多白织灯不能做的事情，但是它并不能取代白织灯
目前，我们现在实现量子计算机的途径主要有5种方法，分别是超导、离子阱、量子点、量子光学和拓扑量子计算。超导量子，是现在人们的主攻方向，它发展很快。
2012年，美国加州大学-圣塔芭芭拉分校（UCSB）与谷歌合作，实现了4个比特的超导量子计算机，又在2014、2015年，分别实现了5个比特和9个比特（比特越高，计算能力越优越）。此后，中国由中科大、浙大和物理所合作，实现了10个比特。最近，IBM又实现了20个比特。
量子计算机的发展速度，远远超过人们的预想。过去，大家以为量子计算机还是三、五十年之后的事。现在看来，可能3、5年后就会实现。
目前，世界上的大型企业都在积极参与量子计算机的制造。美国的谷歌、英特尔、微软、IBM、中国阿里巴巴，都在争夺量子霸权。政府投入也很大，中国在2013到2015年，共投入了19个亿，现在又追加了许多，并正在成立量子信息科学国家实验室。
更具优势的拓扑量子计算
相对现在人们的主攻方向——超导量子，用拓扑量子计算实现量子计算机更具优势。这是因为量子计算机存在一个很大的问题，就是退相干引起的噪音问题（会导致量子计算的失败），解决的办法有两个：一个是通过量子纠错和量子避错；一个是通过拓扑量子计算。
拓扑概念是什么呢？就像一个杯子透过连续变形，变成了一个甜甜圈，虽然它们的样子不同，但是拓扑的定义是相同的（注：拓扑只考虑物体间的位置关系，而不考虑它们的形状和大小）。如果一个事物只依赖它的拓扑，不依赖具体的形状、性质，那它就会很稳定。
纽结理论是拓扑学的一个分支，皮特泰德（音译）是扭结周期表的发明者，他是一位英国物理学家。皮特泰德跟凯文是同时代的人，两人是好朋友。凯文在当时很有名气。现在，温度在物理上用的单位就是——凯文。
有一天，凯文观察到一个现象，吹出的烟圈很稳定，他就想元素是不是都由圈组成的？最开始，皮特泰德听了这个想法后，认为这项研究没有用，因为通过圈并不能计算出元素的性质。但是凯文坚持研究，他和著名物理学家麦克斯维尔（音译）做了10年。10年后，两人放弃了，认为这项研究确实没有用处。
而此时的皮特泰德，却对这项研究着迷了。他继续研究，将不同的扭结排成一个表，做成了扭结周期表。但是，皮特泰德到最后也没有发现这项研究的意义，抑郁而终。
▲扭结周期表
后来，几个著名的数学家对扭结继续了探索，其中有一个叫维特（音译），他最终提出了拓扑量子场论，这就是量子力学的前一步研究。此后，基于拓扑量子场论，费曼（音译）提出了量子计算。
拓扑量子计算是天生的“高容错”，虽然它局部有噪音（影响量子计算的因素），但是只要大体的拓扑是一样，就不会对结果造成影响。若是想实现拓扑量子计算，就必须找到具有拓扑性的粒子，这个粒子叫马约拉纳费粒子。
▲1937年，意大利理论物理学家埃托雷•马约拉纳在他的论文中提供了一种预测：在一类被称为“费米子”的粒子中，应该有一些粒子，自己就是自己的反粒子，并可以用一个波动方程来描述。不过可惜的是，马约拉纳在做出这一预测后，自己也神秘消失了。
目前，制造马约拉纳费粒子有三种方法，一是使用P-波超导体，这是非常难的。二是用S-波超导与拓扑绝缘体结合起来，用两个材料做出一个等效的P-波超导，这是现在研究的主流方向；三是今年我们提出的一个新方法，用铁基超导体中两套不同的能带，实现等效的P-波超导。
量子计算机有何用处呢？首先，我们现在发现它能够有效地提高机器的学习能力和人工智能；其次，它对复杂的现象，例如天气预报，能够报的非常快、非常准；再次，量子计算机可以加速太空的探索；最后，它快速的算法能够解决许多实际问题，比如说交通拥堵、自动驾驶。所以，我们认为量子计算机，将成为第四次工业革命的重要引擎。
李牮：从奇异粒子到量子计算
来源：腾讯研究院
近日，腾讯深圳总部, 浙江西湖高等研究院PI（独立实验室负责人）李牮博士进行了一场名为 “从奇异粒子到量子计算”的科普讲座。李牮引领听众一窥即将到来的量子革命的一个重要前沿——量子计算，并进一步介绍其中非常有趣并极具潜力的一种方案——“拓扑”量子计算。作为拓扑量子计算的基石，李牮博士还介绍大家认识了一种性质奇异的粒子——马约拉纳费米子。
接下来，让我们跟着李牮博士，来看看这些令人着迷的物理怎样有机会在不远的将来再次深刻地改变人类的生活。
在谈量子计算之前，我们要先从什么是“量子”说起。这里的“量子”，其实是由量子力学所描述的事物的泛称。在量子的世界中存在着不少与我们从日常生活的“经典”世界中获得的经验不同的东西。举例来说，在经典的世界中的一只灰猫，无论人们什么时间看它，它都是灰色的；而在量子的世界中的一只灰猫，人们在看它的时候会发现它有时是黑色的，有时是白色的，只有在统计意义上它才是“灰色”的（见上图）。我们把这只量子猫所处的状态叫做黑和白的量子叠加态。
如果我们进一步将黑和白当作1和0这两个二进制数，那么这只量子灰猫实际上就是一个量子比特。不同于“非1即0”的经典比特，每一个量子比特都处在“既1又0”的量子叠加态。这样的量子叠加态可以由两个复数组成的一个矢量来描述（见上图），而每个复数的模方对应着这个量子比特在被读取的时候显示1或者0的几率——用我们刚才的量子灰猫的例子，这些几率也就是我们实际看到它是一只黑猫或者一只白猫的几率。
量子计算就是从若干个量子比特的初始状态出发，通过一系列变换操作，得到某个特定的终态作为计算结果（上图是一个简单的例子）。这里，量子计算与经典计算最根本的不同就是在于量子计算操作的对象是多个量子比特的量子叠加态。如果量子比特的总数目为N，而每个量子比特或1或0，我们就有种排列组合（例如，如果N=3，我们有下列排列组合：000，001，010，011，100，101，110，111）。这些排列组合构成了量子叠加态的基础——我们的N个量子比特可以“同时”（以一定几率）处在种状态上，类似于我们的一只量子灰猫可以“同时”处在黑和白两种状态。换句话说，基于N个量子比特的量子计算机可以对种状态进行并行处理，从而达到经典计算机无法企及的计算能力（假设N足够大）。
然而，成功制造出一台强大的量子计算机远非易事。这其中最大的障碍是量子退相干。简单的说，量子退相干会破坏我们的量子叠加态，是我们在日常生活中很难直接看到奇特的量子现象的“罪魁祸首”。量子退相干的来源又是无处不在的——温度、外界环境的各种干扰都能带来量子退相干。要想有效的克服量子退相干，一个非常有吸引力的方案就是拓扑量子计算。
拓扑是数学的分支，它不关心物体局部的细节，而只关心整体的分立化的性质。举个例子，一个茶杯在拓扑上可以等于一个甜甜圈，因为它们都有一个孔。茶杯的孔是把手的地方，甜甜圈的孔当然是它中间的孔。另外一方面，一个球和任何一个没有孔的东西是等价的，因为你总是可以把它捏成另一个东西（见上图）。当拓扑的概念应用到量子计算中来，就是我们想要找到一种特殊的系统，让其中的量子比特以及对它们的操作不受局部细节（干扰）的影响，从而很大程度上避免量子退相干。在现阶段，最接近实现拓扑量子计算的这样一个特殊的系统是基于奇异的马约拉纳费米子的。
马约拉纳费米子是一种“特立独行”的费米子。通常的费米子，例如作为代表的电子，和它的反粒子（正电子）具有截然相反的电荷——电子带负电，正电子带正电——从这个角度说，我们可以把它们看作一黑一白。然而马约拉纳费米子有点像我们中国的太极，它的反粒子——如果我们想象成把黑白互换——其实就是它自己（见上图）。但这还不是马约拉纳费米子奇异性质的全部。如果我们把两个马约拉纳费米子“拼”到一起，我们可能看到两种结果，如同我们得到黑色或者白色（见下图）。这很像我们开头所说的量子灰猫，或者量子比特——唯一的不同，也是根本的不同，是现在这个量子比特由两个马约拉纳费米子组成，而这两个马约拉纳费米子可以分处在相距很远的不同位置。这种分散于空间中的量子比特可以有效的对抗局部干扰带来的量子退相干。
更为有趣的是我们在这样的量子比特系统中实现计算操作的方法——编织。这里所说的“编织”是想象在一个平面中分布的若干个马约拉纳费米子随着时间而相互围绕运动所形成的图像（见上图）。精妙的物理和数学理论告诉我们，通过特定形式的编织，我们能够实现对马约拉纳费米子量子比特的某些基本操作，从而构成量子计算的基础。重要的是，这些编织的形式也具有拓扑的意义——如同一件织好的毛衣，无论穿着它的人身形如何，毛衣并无真正分别（除非毛线不幸断开）。
至今为止，制造一台真正强大的量子计算机，无论是拓扑的还是非拓扑的，仍旧是物理学家们夜以继日奋力追求的目标。但是我们有理由相信，美妙的物理将在不远的未来通过量子计算再次为人类的生活带来深刻的变化。
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