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量子计算:从梦想照进现实

第二次量子革命。

文 | 陆朝阳

量子计算的研究领域听起来非常抽象、非常陌生。最近这个领域有两件事情引起了大家的注意,一个是2016年8月16日我国发射了世界上首颗量子科学实验卫星,另外一个是在去年10月23日谷歌开发出了一个全新的53量子比特处理器,完成了经典计算机无法完成的任务,用这个量子处理器200秒时间完成的任务,超级计算机需要2.5天才能完成。

所以大家比较好奇到底什么是量子?

带来全新可能性的量子计算

量子是一个概念。量子是物质和能量的基本单元。与大家熟悉的牛顿物理学,非常不同的是,经典力学物理量的变化是连续的,但是量子是离散的,比如把光细分后,是由一个一个光子组成,物质最后细分下去也是离散的一个个原子组成,当然它的尺度非常小。比如一个光子的能量只有10-18焦耳,原子和分子的尺寸也非常小,只有大概0.1纳米的尺度。在这样一个我们不熟悉的微观尺度,这些物体会有一种新的运动规律。

以一个小实验来介绍微观尺度下它的运动规律,通过这个小实验大家可以明白为什么我们现在正在从事的量子通信是一个安全的通信方式,或者说为什么量子计算是一种原则上非常快速的计算方法。

这个小游戏就是保龄球运动的变动版本。在球道中间有三个挡板,保龄球从中间两个狭缝过去,保龄球会留下撞击的痕迹。现在把保龄球缩小,缩成原子大小,在微观尺度,在微观世界玩保龄球游戏。最后会出现完全不同的现象。我们在后面屏幕上可以观察到,很多撞击痕迹形成的明暗相间条纹。我们看到了经典世界和量子世界非常鲜明的对比。

为什么会出现这样的情况?量子力学告诉我们,在微观尺度量子的保龄球不是像日常生活里我们可以确定它从左边狭缝过去或者右边狭缝过去,它像孙悟空的分身术一样,变成两个分身,从两侧狭缝一起过去。

这是量子计算非常基本的原理叫做量子相干叠加原理,它允许一个物体处于多种状态的叠加态。

在一个微观世界里面,我们允许一个物体可以同时处于多种状态,比如这样的一个量子保龄球允许它从红色和蓝色线同时过去,做一个类比,比如一个人,他可以既在上海又在北京。这样两种不同的状态,就可以编码为计算机运算所需要的逻辑信号0和1。

如果一个量子比特,就有0和1两个存在状态,两个的话就有4个状态同时存在,如果有10个就有1024种,在原理上可以做并行计算。比如50个量子比特,250的状态,经过函数计算以后250这么多数的函数结果可以一次同时得到,获得一个很大的加速。

有些同学会非常好奇,为什么这个量子保龄球可以从两个路径一起过去呢?我从一侧观察不就知道到底从左边过去还是右边过去的。当有一个观测、有一个窃听的时候,更加神奇的现象出现了。这时候可以看到后面屏幕上不再是量子世界里的很多个条纹,它又回到了经典世界的两个条纹的情况。

也就是说对于一个经典系统,我们知道桌子上有一杯水,看它或者不看它,它都是一杯水不会发生什么变化。但是对于量子体系,对它是否做观测,是可以改变量子系统本身的状态。比如原来不观测的时候,它处于相干叠加态同时存在,一观测它就会立刻塌缩到某种状态。这样给我们提供了一种在原理上安全的通信方式,我们用单光子作为媒介,把它传播到某个通道,这个通道里面可能有很多窃听者,但是任何一个窃听不可避免会引入一个扰动,这个扰动会改变光子本身状态,使得通信双方所察觉,是一种窃听必然会被发现的新型通信方式。

这样一种听起来,计算、通信,数学家、计算机科学家更感兴趣的事情,为什么用物理学的方法做研究呢?比如有两间屋子,一个屋子有三个开关,另一间屋子有三盏灯,这三个开关分别控制这三盏灯,但是中间这个性质很复杂,不知道哪根线连哪个灯。

给大家出一道题目,就是说你在这个房间待5分钟到那个房间去,只去一次不能回来,要告诉我哪个开关控制哪一盏灯。对于数学家来讲这个问题是无解的,因为他要么开一盏,要么开两盏,这时候必然有两种状态是无法区分的。物理学家怎么办呢?就先打开两盏灯的开关等5分钟然后把一盏灯关掉,再到另一个房间就可以看到只有一盏灯是亮的,是开了之后没有关闭的,还有两盏灯是暗的,但是其中一盏暗的灯,温度会变高,它是有点温或者烫的,这时候我们知道那盏灯就是一开始打开5分钟后关上的。用物理新的效应代入到计算通讯领域,就给我们带来新的可能性。

第二次量子革命

量子力学从20世纪初被发现以来,在过去一百多年它已经给我们带来了很多革命性的技术进步,晶体管、激光、核磁共振、LED等等。晶体管是计算技术的基础,计算机的基础。激光是互联网通讯的基础。在最近40到50年,随着我们对于量子体系的实验操纵能力的进步和提高,可以说迎来了第二次量子革命,不再像第一次量子革命,主要是对量子规律的被动观测和宏观应用,现在可以像搭积木、盖房子一样,或者像生物领域DNA工程一样,可以对量子态有一个自底而上的主动精确操纵,这样的主动精确操纵给我们带来了第二次量子革命的某些技术,比如安全通信、超快计算、精密量子测量技术等等。

对于量子通信来说,目前这方面研究已经走出了实验室。我们国家已经建立了从北京到上海的2000公里的基于光纤的量子通信网络,用于技术验证和应用示范。

为了实现更远距离的量子通信,2016年我们发射了世界上首个“墨子号”量子科学实验卫星,我们实现了千公里天地间的密钥分发,基于光纤的两地纠缠态,由地面到天空的量子隐形传态等实验,为以后天地一体化的量子网络奠定了科学基础。

量子通信的另一个方面,它不仅可以给我们带来保密的通信,传送经典信息,同时还可以用来传送量子状态,比如一个分子状态、一个原子状态、光子的状态。

从1997年第一次实现微观粒子的隐形传态以来,我们不断在传送粒子的复杂度、距离等等方面推进工作,未来也许可以实现更加复杂的物体传输。目前我国的量子通信处于世界领先水平,不仅在光纤量子通信网络,基于卫星的、自由空间的量子空间网络等等方面。未来我们的努力目标是构建完整的天地一体广域量子通信网络,和经典通信网络实现非常好的无缝链接,在这个基础上形成下一代国家信息安全生态系统。

量子计算目前处于泡沫期

我想给大家介绍的重点,是另一个更加有挑战的领域量子计算。刚才已经在原理上给大家介绍了,量子计算在原理上通过并行计算给计算速度带来很大的提升,但是实际上真正要造一个量子计算机存在着非常多的挑战。量子通信的主要任务是把一个光子传送到很远的位置。对于量子计算来说,比如造一台通用量子计算机,需要几千万个量子比特甚至几亿个量子比特。

所以回顾一下历史发现非常有趣,1995年国际学术界两大巨头Charles H. Bennelt和David P. Divincenze,他们的文章里面写道,在1995年大数分解算法刚刚被提出来的时候,大家是很悲观的,在国际会议上打赌,一个500位的数,首先由量子计算机还是经典计算机把它分解出来,这时候有很多参会者是非常悲观的,他认为经典计算机是做不到的,量子计算机要造出来也非常难。

随着这个领域的发展,特别是在最近两三年,大家的心态变得乐观很多,也许有些过度乐观,可以看到量子计算目前受到了不仅是大学、研究机构还有很多国际大公司的关注,比如谷歌、IBM、微软等等。然而就像国外Futurism期刊讲的,“我们甚至还不知道未来的量子计算机看起来会是怎么样的,但是,天哪,大家都莫名地激动”。

很多时候国外的报道也会以一种比较夸张的形式散播,比如说谷歌发布首个72比特通用量子计算机,显然它并不是通用,72个量子比特的样品也没有经过很好的测试,也没有纠缠等等性能测试。

这里我想引用一下美国的国家技术标准局Jake Taylor,他也是美国量子国家项目的主要推动人之一,他的报告里面其实也指出了量子计算领域目前正处于泡沫期的上升期,可以看到它正处在半山腰上面,他的报告中也指出如果政府或者科学家没有加以任何调控,最终可能经过一段时间狂热的追求后可能进入一个冬天,无法达到我们的目标。如果有一个很好的调控,一开始没有那么高期望,最后长期这条泡沫曲线会回归理性发展。

所以为了避免这样一种大家过高的期望,以及过高期望可能会带来的冬天,所以最好有一种比较稳妥的,分步走、沿途下蛋的方法。这样既不给大家过高期望,同时也希望中间每一步都给出一些比较好的结果,可以鼓励大家继续把这个领域往前推进。

量子计算有四个主要阶段。过去20年,主要集中在量子算法原理演示,就像玩具模型一样只是做一个演示。目前有极少的研究者已经做到对特定问题超越经典计算机,这也是之前谷歌所宣称的“量子霸权”的终极阶段或者研究目标。做到这个研究目标,大概需要50到100个物理比特,它有一些特定算法。之后如果可以操纵数百个或者数千个物理比特,就可以尝试构建一些有实用价值的量子模拟机,我们觉得实现一个实用量子模拟机还需要5到10年。实现通用的量子计算机难度大得多,也许15年,也许20年,也许更久。

目前谷歌提出国际学术界非常认可的分步走的目标,量子比特数目从50到100个,数百个到数千个,最后可能上亿个物理比特。

第一步实现的量子优越性,国外翻译为“量子霸权”,这样的研究目标有什么意义呢?有三个算法可以实现这个研究目标。这个研究目标主要有两方面的基础研究的意义,我们知道量子计算领域,一开始大家之所以对它抱有期望,是因为我们认为量子力学可以给我们带来一种原理上完全不同的编码方式,可以给我们带来计算的加速。正如在量子通信里需要利用纠缠,这样一种经典世界没有的一种现象,它可以提供一种比经典更强的各种关联,类似我们在量子计算里也需要一个量子计算优越性的实验。用这个实验来证明,量子力学领域有一种比经典更快的计算。

所以把最开始理论学家告诉我们的量子计算可以比经典计算更快这样一个论断,在实验上确切地看到,就是叫做“Show me,Don’t tell me.”提供一个确凿的实验证据来证明量子计算是可以比经典计算有一个加速。

除了基础科研上的意义之外,量子计算确实存在巨大的潜力,当然它也是未来走向实用化量子模拟和量子计算的必经途径,或者说给我们这个领域和投资界带来信心。其实除了谷歌的“随机线路取样”的算法外,实现量子计算优越性还有另外一个途径,我们一直在努力的方向是用光子来实现玻色取样的相关研究。

高斯波色采样

下面给大家介绍一下过去七八年里我们做的这方面的一些研究。

玻色取样需要用光子来实现,这里最重要的资源是要实现完美的单光子源,光子比特有两个最重要的限制,可以操纵多少个光子,数量是由效率决定的。最终光量子计算机的质量是由光子的全同性决定,光子要一模一样。我们在2013年第一次解决了光子的品质问题,可以把它做到大概99%,这之后我们一直在推进它的效率,目前我们处于国际领先水平。

基于我们自主发展的单光子源开始推进玻色取样研究,2013年我们刚刚开始做玻色取样研究的时候,基于2013年国际上最好的光源线路以及探测参数,要看到50光子的复合技术大概需要10-150赫兹,这是超级天文数字。利用我们自主发展的单光子源以及超低转化的线路,我们在2017年完成了第一代原型机实验,通过5个光子的实验,实验参数证明我们比之前的10-150赫兹,可以提升大概90个数量级,做到10-60。第二代原型机实验在去年和谷歌一起实现的,我们进一步提升了量子光源的品质以及三维的干涉仪,我们可以做到又提升大概30个数量级。

2020年我们完成了第三代玻色取样实验。这个实验里我们用了一个新原理,叫做高斯玻色采样,这个方案可以完整的利用自发参量下转化所产生的全部光子Component组建,这样可以实现非常高效地输入50个单模压缩态到100×100的干涉网络,最终在特定采样任务得到了比超级计算机快1014的结果,这是基于目前最好的理论估计。

我们也非常希望和非常欢迎,经典计算领域的人们,包括量子计算领域的,我们可以进一步优化量子算法,来挑战1014,同时在这个实验里输出的量子态空间达到1030,比去年谷歌实验高了14个数量级。

另外,非常有趣的是,我们方案可能有一些潜在的应用,这是和谷歌算法有点不一样的。 “量子霸权”本身不需要所研究的问题有应用价值,但是对高斯玻色的采样目前国际上有很多相关理论,应用到实际问题上,这也是下一步要努力的目标。

最后感谢我们的合作者,多个单位的合作者我们一起完成任务和实验。同时我们的实验也是在非常特殊的时期完成的,我们实验的大部分工作是在疫情期间完成,特别感谢在我们国家非常强有力的组织下,我们能够非常好的控制疫情,如果没有这样非常安定的环境也无法完成,或者说被推迟。

(作者简介:未来论坛青创联盟成员,中国科学技术大学教授。)

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