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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    量子計算的魅力

                    2018-01-23 18:15:00

                      人類歷史上的每一次科技革命,都是以物理學上的重大突破為基礎的。第一次科技革命源自牛頓力學和熱力學,瓦特等人以此為理論改進了蒸汽機等技術,將人類文明帶入了工業時代。第二次科技革命源于法拉第和麥克斯韋在電磁學上的重大發現,以此為基礎,科學家們陸續發明了發電機和電動機等,將人類帶入了電氣時代。第三次科技革命又稱為信息革命,它源自量子力學的發現,以此為基礎,物理學家們發明了半導體晶體管和集成電路、激光器等等,將人類文明帶入了信息時代。

                      這次信息革命聲勢浩大且持續時間長,并因此誕生了互聯網,徹底改變了人們的生活方式。但是信息革命僅僅走了一半。這是由于半導體和激光雖然植根于量子力學,但是處理的都是經典信息。在這次信息革命的下半場,完全用量子力學規律來處理信息的“量子信息技術”將要登場,其中標志著人類文明到達信息革命之巔的,就是量子計算機。

                      速度無與倫比的量子計算

                      很多伴隨信息革命成長起來的信息技術(IT)領域的大公司,都將量子計算機作為未來的發展方向,并投入了極大的研發力量。這其中包括IBM、微軟和Google(谷歌)等,其中又數Google投入最大。該公司在2014年正式雇傭了加州大學圣芭芭拉校John Martinis,資助他所領導的超導量子計算實驗室,開創了私人公司全資資助量子計算實驗室的先河。

                      阿里巴巴作為我國最大的互聯網公司,在經典信息技術上擁有雄厚的積累。而中國科學技術大學在量子信息學研究上領先世界。在Google模式的啟發下,兩者一拍即合,在中國科學技術大學上海研究院聯合成立了“中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室”。開我國引入民間資本來全資資助科研單位基礎科學研究之先河。

                      量子計算為何具有如此魅力,吸引IT巨頭們紛紛解囊?這還要從量子物理學最基本也是最奇異的特性“疊加態(superposition)”說起。在經典物理學中,物質在確定的時刻僅有一個確定的狀態。量子力學則不同,物質會同時處于不同的量子態上。一個簡單的例子就是雙縫干涉實驗:經典的粒子一次只能通過一個狹縫,但是量子力學的粒子一次可以同時通過多個狹縫,從而產生干涉。

                      傳統的信息技術扎根于經典物理學,一個比特在特定時刻只有特定的狀態,要么為0,要么為1,所有的計算都按照經典的物理學規律進行。

                      量子信息扎根于量子物理學,一個量子比特(qubit)就是0和1的疊加態。因為處于疊加態,一個量子比特可以同時代表0和1,對這個量子比特做一次操作,等于同時對0和1都做了操作。擴展下去,比如一個10比特的數,經典計算每一次運算只能處理一個數(如 0001001000,0100001000等等),但是量子計算可處理一個10量子比特的疊加態,這就意味著量子計算每一次運算就可以處理210=1024個數(即從0到1023被同時處理一遍)。

                      以此類推,量子計算的速度與量子比特數的關系是2的指數增長關系(而經典計算機的速度和比特數僅僅是線性正比關系)。一個64位的量子計算機一次運算就可以同時處理 264=18446744073709551616 個數。如果單次運算速度達到目前民用電腦CPU的級別(1GHz),那么這64位的量子計算機的數據處理速度將是目前世界上最快的“太湖之光”超級計算機(每秒 9.3 億億次)的1500億倍!

                      量子力學疊加態特性賦予了量子計算機真正意義上的“并行計算”能力,而不是像現在經典計算機一樣只是靠羅列更多的CPU來并行,艱難地維持著“摩爾定律”。在強烈需要大數據處理技術的今天,人們對信息處理速度的要求越來越嚴苛?!疤煜挛涔ξ觳黄啤?,量子計算就是憑借先天的量子疊加優勢,快得無與倫比,因此越來越得到互聯網巨頭們的重視。

                      量子計算機的獨有算法

                      1985年,牛津大學的物理學家David Deutsch提出了量子圖靈機的概念,隨后貝爾實驗室的PeterShor于1995年提出了量子計算的第一個解決具體問題的思路,即Shor因子分解算法。

                      我們今天在互聯網上輸入的各種密碼,都會用到RSA算法加密,即用一個很大的數的兩個質數因子生成密鑰來給我們的密碼加密,從而安全地傳輸密碼。由于該數很大,用目前經典計算機的速度算出它的質數因子還是比較困難的,例如2009年曾用多臺超級計算機耗時多天,才破解了RSA-768。

                      但有了量子計算機就是另外一種情況了。利用量子計算的并行性,Shor算法可在很短的時間內獲得質數因子,從而破解密鑰,使RSA加密技術不堪一擊。

                      量子計算機會終結任何依賴計算制造復雜度的加密技術,但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護。量子計算的孿生兄弟——量子通信,會從根本上解決信息傳輸的安全隱患。

                      Shor算法提出一年后,1996年,同在貝爾實驗室的Lov Grover提出了Grover算法。該算法通過量子計算的并行能力,同時給整個數據庫做變換,可用最快的步驟顯示出需要的數據。量子計算的Grover搜索算法遠遠超出了經典計算機的數據搜索速度,這也是互聯網巨頭們對量子計算的關注點之一。量子信息時代的搜索引擎將植根于Grover算法,讓我們更快捷地獲取信息。

                      量子計算機的實現難度

                      量子計算各種算法的理論已經成熟多年,但是世界上第一臺量子計算機何時問世還是遙遙無期。因為在物理實現上,量子計算機需要與大量的量子比特關聯起來,進行量子邏輯門操作。這就不得不面對“退相干”的難題。

                      退相干現象來自外界環境對量子態的擾動,使量子態逐漸演化到經典的狀態,失去量子疊加特性。而且系統越大,各種內部和外部的相互作用越多,越難維持量子態,退相干發生得也就越快。這就是為什么我們現在能觀察到粒子的疊加態,卻觀察不到“薛定諤的貓”的疊加態,因為像貓這么大的系統會以極快的速度發生退相干,只留下經典的死或活狀態。退相干在量子和經典世界間筑起了一道鴻溝。

                      在量子邏輯門的各種物理實現方案中,有的雖可維持較長的退相干時間,卻無法做到很多的量子比特關聯(如離子阱、核磁共振);有的可以做到較多的量子比特關聯,但退相干時間過短(如超導電路、量子點)。相比之下,超導電路看起來更有希望通過延長退相干時間來取得突破,研發出可用的量子計算機。因而,Google公司也在超導電路量子計算方案上押了寶。

                      量子計算機與人工智能

                      英國著名物理學家羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)把依靠經典計算機的人工智能稱為“皇帝新腦”,即像皇帝的新衣一樣。他認為人腦不會像經典計算機那樣以確定的方式處理信息,但量子測量會賦予人腦隨機性,同時量子疊加態還會賦予人腦全局觀(而一個一個比特處理的經典計算還做不到全局觀),因此,彭羅斯認為人腦是一臺量子計算機,并和神經學家Hameroff合作給出了模型。

                      但是,美國麻省理工學院的物理學家Max Tegmark計算出室溫下彭羅斯模型的退相干時間只有10-15秒量級,這個時間遠不夠進行量子計算。2015年,巴克利獎獲得者、物理學家費舍爾(Matthew Fisher)提出了一個假說,即神經元中波斯納分子的磷原子核會攜帶量子比特,而且退相干時間能夠達到幾分鐘,這很可能是人類意識的起源。但爭論仍在持續,這個假說的證據也遠遠不足。也許量子計算機的研究能在這個方面取得突破,在某個量子和經典的交匯點上找出解答人類意識和智慧起源問題的答案。那樣量子計算機的研究不但會給我們帶來極速計算,還可能成為實現真正的人工智能的關鍵。

                      基于以上原因,量子計算機一旦成功研發,就會成為人類歷史上最偉大的科學技術成就之一。量子計算機的研究任重道遠,目前仍然處于燒錢研發階段。惟其如此,所以很多人不理解巨額投入的價值。但回想一下,我們現在手中用到的便利廉價的信息技術,不都源自于上世紀五六十年代以貝爾實驗室為首的科研機構長期大量投入的結果嗎?未來我們的子孫很可能用著量子手機和智能機器人,在量子互聯網上感謝著我們這個時代的投入。

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