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姚期智:量子计算机面临最后艰难的一里路

来源:科学网 作者:冯丽妃 2017-11-13 13:45:39

  “对我来讲,最兴奋的将来就是我们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。”

  如果现在常用的一个RSA密码系统用400位数的整数做密钥,用现在最大、最好超级计算机需要60万年才能解出密码,但用一个有相当储存功能的量子计算机甚至无需3小时就可以作出来。

  量子计算机现在基本上已呼之欲出,可以称为“处于实现的边缘”。我们已进入一个能看到量子计算机将要做出来的时间段,我们可以把它叫作最后的一里路,但这会是一个非常艰难的需要经过一段时间的最后一里路。

  先谈量子计算机为什么和传统计算机完全不一样。中国有一个寓言是“杨子见歧路而哭之”。杨朱听说有一只羊在道路分叉的地方走失了,没有那么多人分道去寻找,觉得很悲伤。看起来唯一的方法是先走一条路,然后再走另外一条路。这代表着传统计算机在寻找一个计算问题的答案时也存在这样的问题。

  如果杨子是孙悟空的话,这个问题就解决了。他可以在头上拔几根毛,变出很多个小孙悟空走不同的路。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。“小孙悟空”如果在适合的情况下,能非常好地配合,换言之,这就是达到了平行计算,基本上等于有无限多个能够运作的计算器给你用。

  不过,量子物理世界在原理上还有其他结果。在经典物理中,和量子相似的情况是光。如果一个光源放出一束光,经过一个有很多小洞的屏幕,随后你就会看到第二个屏幕上的光会有时亮时暗的周期现象。这是由前面的波长、屏幕上的针孔之间的距离等参数决定的。反过来,看到结果时可以了解原本的光源性质。在量子中如果要破解一个密码,可以把它代表成量子态。如果做好这个量子态的光学设计,一个很有意思的结果是:量一量后面的模式,它就会告诉你密码。做真的光学实验所需设置非常大,但量子计算机可以指数性地把这个时间降下来,查出本来的密码。破解RSA就是这个原理。

  此外,量子计算机还可以做很多事情。它最重要的一个应用是可以模仿古典物理,解量子方程式,从而解决很多物理、化学、生物学问题,等等。

  实际上,经过这十几、二十多年的努力,在实践建设量子计算机过程中已经取得了相当大的进步。现在,科学家已经了解到什么样的材料最适合做量子计算机,这个蓝图基本上是有了,但它还是一个非常难的实践过程。

  也许,在半年、一年后有很多地方都会宣布能够做出50个量子比特、100个量子比特的机器。这些当然令人兴奋,但却离实用还差得很远,大家都还没有考虑怎么纠错,而在量子计算机中纠错是一个非常难的问题,所以现在走到了最后一里路,但也是非常长的一里路。

  清华大学量子信息中心现在有用超导、离子来做量子比特的,甚至有用钻石做量子比特的,它们各有优劣。另外,我们还做一些拓扑的量子计算,这对纠错特别有用。6年前我们成立了量子计算机所,现在,我们已成为世界上相当知名的一个量子计算机中心。譬如我们做出第一个能纠错的量子计算机,虽然只是在很小的基础上做的。另外,在量子计算机里面最重要的事情是做记忆,我们最近的一个工作是在原子上能做出225个记忆体,这比以前增加了10倍。另外,我们还希望量子比特存储得久,而不是0.01秒就消失。

  我们最近的一项工作用的是离子的量子计算。它先把原子用电离方式变成离子,然后用镭射固定、冷却同时操纵它。通过这样,我们能够做出一个存储更久的量子存储。

  对我来讲,最兴奋的将来就是我们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。人工智能是人类想要了解自然界怎样作出如此聪明的人,如果我们能够把量子计算用到其中,我们可能比大自然更聪明。

  站在现在的视角,我们可以看到宇宙给出的两个大挑战:它告诉我们量子物理能够做出很精妙的事情,如果没有量子计算机我们就不能引领它;在软件方面,人类是否能到达大自然孕育出物种的程度。如果能够把量子计算机和AI放在一起,我们可能会做出连大自然都没有想到的结果。

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