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薛鹏:处于全球产业风口上的量子计算机,它究竟是如何工作的?

演讲 薛鹏(中国工程物理研究院北京计算科学研究中心教授)

大家好,我是薛鹏,来自北京计算科学研究中心,从事量子信息方面的研究工作。今天我想向大家介绍一下神奇的量子计算机

为什么我们需要量子计算机?

可能有人会好奇,为什么要研究量子计算机?难道是现在所使用的经典计算机不够好吗?

在回答这个问题之前,我先讲一下经典计算机。经典计算机可以说是人类历史上的最伟大的发明之一,给我们的生产生活带来了无穷的便利。现在已经很难想象没有计算机的生活会是什么样子。

但是人类的欲望是永无止境的,比如我们永远都在追求更高、更快、更强,我们对于计算机处理信息速度的追求也是永无止境的

而经典计算机处理信息的速度,依赖于微处理器芯片集成度的提高。那么,经典计算机处理信息的速度会像所希望的那样持续不断地提高吗?

我们先来看一个经验公式,这是英特尔公司创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的著名的摩尔定律,它指出微处理器芯片的集成度随着时间是呈指数增长的

逼近物理极限的摩尔定律

从上图中可以看出,从1900年到2020年这120年间,微处理器芯片集成度的发展基本上都符合摩尔定律。

那么,这个趋势会持续不断地增长下去吗?答案当然是否定的。因为它最终会达到它的物理极限。因此可以说,经典计算机的运算速度,或者说处理信息的速度是有上限的,会受到以下两个问题的限制。

第一个就是热耗散效应。

经典计算机处理信息的过程是不可逆的。比如在使用手机或者电脑一段时间后,它会发热,因为信息处理的过程当中电能会转换成热能,然后向大气中耗散。这个过程是不可逆的,我们不能把空间当中的热能再重新收集起来转换成电能,就导致了热耗散效应。

而材料的散热速度是有上限的,所以也就限制了元件的集成度,从而限制了经典计算机处理信息的速度。

要想解决这个问题,有两种方法。

一种是从材料入手:去寻找新的散热速度更好的材料,但这是一种治标不治本的方法。 

那么有没有治本的方法?其实也是有的。我们可以去寻找一种新的信息处理的方式:这种信息处理的方式如果是可逆的,就可以从发热的根源上解决这一问题了。

非常幸运的是,量子计算机处理信息的方式就是可逆的,所以就可以很完美地解决热耗散效应的问题。

但一个问题解决了,另外一个问题又来了,那就是尺寸效应

现在微处理器芯片的尺寸已经可以达到纳米量级,即10-9米。这是一个非常小的尺寸了,如果想要把元件的集成度进一步提高,那就势必要把元件的尺寸做得更小。

但无论多小,它最终一定会达到原子的尺度,就不能再分了。而原子的尺度就是埃(Å)的量级,即10-10米。

但当元件达到原子尺度时,它的运动规律就不能够再用所熟悉的牛顿力学解释,这时就需要祭出量子力学这一法宝了。基于量子力学,且以量子力学为运动规律的量子计算机就应运而生了。

所以,如果用量子计算机取代经典计算机,就可以完美解决刚才所说的热耗散效应和尺寸效应这两个限制经典计算机运算速度的问题了,这就是量子计算机诞生的故事。

量子力学到量子比特

那么什么是量子力学?可能一说起量子力学,大家首先想到的不是普朗克、不是薛定谔、不是爱因斯坦,而是一句话“遇事不决,量子力学”

这句话是指在某些科幻作品当中一旦出现一些无法填补的天坑和巨大的脑洞的时候,作者就会把量子力学这一法宝祭出,希望利用量子力学去解释一切不合理、不合逻辑的现象。这也从一个侧面反映出了量子力学的神奇之处,或者说它的用处之大。

事实上,量子力学确实是一门非常非常有用的科学。比如想要研究一个微观粒子的运动规律,好比“电子是如何绕着原子核运动”时,是完全没有办法用日常生活当中所积累的经验给出答案的。因为在解释微观粒子运动规律的时候,我们所熟悉的牛顿力学和麦克斯韦方程就都不起作用,这时就要祭出量子力学了。量子力学就是一门专门用于解释微观粒子运动规律的科学,也是非常重要的物理学分支。

 刚才我们也说到了,微观粒子的运动规律和我们熟悉的经典世界的宏观物体是完全不同的。在经典世界当中,宏观物体的运动就像从上图左侧滑竿上滑下来的人一样,它的状态是连续变化的,但是微观粒子则截然不同。

比如电子只能在一些离散的轨道上运行或者运动,它只能从一个轨道跃迁到另外一个轨道,就像上图右侧在爬梯子的小孩一样,必须是一格一格地、一份一份地,不能连续地变换,这就是所谓的微观粒子的量子化

而其与宏观物体的运动规律会截然不同的根本原因就在于它们拥有一些量子特性。其中最重要的一个就是量子叠加性 

形象地看,微观粒子就像下图正在玩滑板的小孩一样,可以出现在0这一端,也可以同时出现在1这端。也就是说,它可以以一定的几率出现在0,也可以以一定的几率出现在1。总的来说,就是它处在0和1的叠加状态之上。

但一旦我们要去测量它了,就是上图中眼睛出现,要观测它的时候,它就会确定性地塌缩到0,或者确定性地塌缩到1。这就是所谓的量子叠加特性。

而在没有去测量它之前,它都是处在0和1的任意叠加状态之上的。正是因为有了量子叠加特性,所以量子计算机拥有非常强大的并行运算的能力。

什么是量子并行运算呢?首先来看一下特别熟悉的经典计算机,它们的芯片最底层都是由半导体的晶体管形成的01电路,0代表高电平,1代表低电平。

 经典信息的最小存储单元是什么?就是一个经典的比特。它是由二进制的字符串起来组成的,就像一个开关,要么是0,要么是1。

一个经典的存储器只可以存储一个经典的比特,也就是说它只能存储0和1这两个数当中的一个。而反观一个量子存储器,它可以存储一个量子比特。但是由于量子比特拥有量子特性,它可以同时处在0和1的任意叠加态之上,所以一个量子存储器可以同时存储0和1两个数。

那么两个经典的存储器可以存储多少个数?它可以存储二进制数当中的00、01、10、11这四个数当中的一个,但是两个量子存储器就可以同时存储这四个数。

以此类推,如果有更多的,比如有N个经典存储器,它也只可能存储2N个数当中的一个,而且一次运算它也只能变换这一个数。而N个量子存储器可以同时存储2N个数,是非常可观的一个数量。而且一次运算它可以同时变换2N个数,这就相当于2N个经典存储器在同时运行,这就是所谓的量子并行运算。

而量子比特其实就是量子信息的一个最小单元,并且它是可以处在叠加态之上的,即0和1的叠加态。在物理当中,任意一个二能级的微观粒子系统都是可以用于制备量子比特的。

量子计算机是如何工作的?

刚才讲了量子比特和量子并行运算,下面就具体地来看一下量子计算机究竟是如何工作的。

以搜寻算法为例,首先想象一个场景,比如我有一个工厂雇佣了100个员工,突然有一天,这个工厂的厂长被告知,这100个员工当中有一个是在逃的罪犯,他需要协助公安机关把这个罪犯给找出来。

经典的计算机是如何处理这一类搜寻算法的问题呢?很简单,通常情况下需要把这100个员工的照片和信息一一和犯罪分子的信息进行对比,运气不好的时候可能需要对比100次才能找到罪犯,在平均情况下也需要进行50次的对比。这就是经典计算机处理搜寻问题的方法。

那么量子计算机又是如何做的呢?非常幸运的是它拥有量子特性,所以我们就拥有一台非常神奇的机器,叫做量子幸运大转盘

最初始的时候,这个量子幸运大转盘上有100个格子,大小一致,用于放置这100个员工的照片。我们完全不知道罪犯的照片在哪儿,我们需要把他找出来。

神奇的就是,当每次转动这个量子幸运大转盘的时候,犯罪分子的照片的格子就会自动地变大,而其他的格子就会相应地缩小,这就是量子计算机的神奇之处。

所以将量子幸运大转盘转动10次左右后,放置犯罪分子的格子就会变大到可以覆盖整个转盘的面积,这样我们就可以快速地找到这个犯罪分子。这就是量子计算机处理此类的搜寻问题的办法。

跟经典计算机所需的50次相比,我们仅需要转动10次量子幸运大转盘就可以了。而且最重要的是,员工数量越多,量子计算机的优势就越明显。

从这个例子可以看到,实现量子计算机的计算,最核心的是如何制备量子幸运大转盘。

以刚才提到的搜寻算法为例,现实生活当中,我们可以利用量子行走来实现搜寻算法当中的量子幸运大转盘。

什么是量子行走?它是经典随机行走在量子世界当中的一个对应。

 那什么是经典随机行走?举个例子,首先想象有一个人手里面拿着一个硬币,每次抛硬币的时候都有50%的几率是字向上,50%的几率是花向上。如果是字向上的话,他就会向左走一步;如果是花向上,就向右走一步。而每次到了新的位置上他都会重新抛掷硬币,决定向左或向右行走,这就是所谓的经典随机行走当中一个非常简单的例子。

而在量子行走当中,行走的人和硬币都要做量子化的处理,他们就拥有了量子特性,比如量子干涉、量子纠缠、量子叠加等等。

这时量子的硬币就不光只是字向上,或者是花向上了,它可以处在字和花的任意的叠加状态之上。而这个量子化的人也可以同时从很多个位置以不同的路径去行走,所以跟经典的随机行走相比较,量子行走的速度更快。

而且最重要的是,它能够在更短的时间之内占据更大的空间。那么,我们就可以利用量子行走去实现量子搜寻算法当中的幸运大转盘。

所以在当今这样一个信息大爆炸和大数据的时代,量子行走的应用前景是非常巨大的。而我所在的团队就是利用光子的不同自由度,比如偏振、路径、时间、轨道角动量等等,在实验室中实现光量子随机行走。下图就是量子行走的光路图,看上去挺抽象的。

下图是在实验室中它们真实的样子。

因为做精密光学实验要防止各种各样的振动,所以我们的实验室通常都在地下室,而且是一个万级的超净室,要保持恒温恒湿的环境,以确保激光器、探测仪这些精密的仪器能够正常运行。

我们还需要24小时不间断地除湿,保证空气足够干燥,预防晶体的潮解。此外,由于实验室中使用的光源是波长在780纳米到810纳米之间的近红外光,且是单光子水平,肉眼很难观测到,所以还需要保持全暗室的环境。

在实验室中,我们每天都要在这样的环境当中站立7到8个小时,不间断地调试光路、采集数据、做实验等等。遇到了紧急实验的时候,加班加点、熬夜都是家常便饭。

所以总的来说,做科研还是挺辛苦的,但是所有的辛苦付出也都是值得的。因为首先这是兴趣所在,其次最重要的是,我们在这个过程当中也取得了一定的成绩。

量子行走的进展

 我们团队是从2013年开始从事量子行走实验研究的,到了2015年的时候,我们已经打破了当时由澳大利亚团队所创造的单光子空间域的量子行走最长演化时长的记录。随后我们不断地提高技术,一再地刷新这一纪录,直到目前为止我们都是这一纪录的保持者。

到了2021年,我们已经实现空间域的量子行走50步的演化纪录。如果到了光纤当中,甚至可以突破200步的演化时长,所以我们也非常希望能够利用在光量子行走方面所积累的技术和经验,为我国成功研制量子计算机,并为未来的产业化贡献出自己的力量。

量子计算机已经能做什么了?

那么,目前全世界各国的量子计算机到底发展到了怎样的水平?

在2012年的时候,美国加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)就提出了一个名词quantum supremacy,有人把它翻译成量子霸权,也有人翻译成量子优势它其实就证明了量子计算机是可以全面碾压经典计算机,实现一些经典计算机所完全无法实现的复杂计算任务的概念。

随着这一概念提出,后续就有包括D-wave、IBM、Google、Honeywell、Intel、Microsoft、Amazon等国际知名大公司,以及很多初创公司纷纷加入了量子计算机的研制队伍当中,现在竞争也是愈演愈烈。

下面就通过几个例子展示量子计算机研制的经历和进程:

2016年,IBM公司率先推出了全世界第一台基于5个超导量子比特的可编程的量子计算机的原理模型,并且将之应用于云平台。到2017年,他们又成功研制出了一款基于50个超导量子比特的量子计算机的原理模型,而且宣称将在2023年成功制备超过1000个比特的真正的量子计算机。

谷歌也不遑多让,于2019年宣布成功研制了超过53个超导量子比特的量子计算芯片,并取名为Sycamore,中文翻译为悬铃木。它们利用这个量子计算芯片首次实现了量子随机采样的算法,并宣称这是世界上第一次成功实现quantum supremacy,下图就是它们的超导电路,这个电路需要放在稀释制冷机中工作。

与IBM和Google追求开发超导量子计算机不同,我们所熟悉的制造口罩的生产商Honeywell公司追求的是以“离子阱”为硬件来研制量子计算机,并于2020年宣称已经建造了目前世界上性能最好、也就是量子计算体积最大的量子计算机的原理模型——10个全纠缠的离子阱量子比特。由此可见,量子计算机对于资本市场的吸引力之大。

霍尼韦尔:10个全纠缠的离子阱量子比特的原理样机

 除了超导计算机和离子阱计算机,光量子计算机也是方兴未艾。去年我国的潘建伟院士团队就研制成功了一台76个光量子计算机的原理模型,把它命名为九章,一个非常有纪念意义的名字。这也是光量子计算机当中非常优秀的代表之一。

九章:76个光量子原理样机

 与超导比特相比,光子也有它的优势,那就是对于环境的适应性。超导量子比特需要全程在零下273摄氏度的超低温的环境之下才能正常运行,但是光子不需要,处在室温就可以了。所以说,各个物理体系都有各自的优势以及短板。

量子计算机终将改变世界

那我们距离真正的通用的量子计算机还有多远?我们什么时候才能够用上量子计算机?

量子计算机比特数的发展(其中Quantum annealer为量子退火机)

理论上,距离实现通用的量子计算机已经不存在不可逾越的障碍了,但是技术上还是有着重重困难。

由2016年的5个超导量子比特,到2017年的53个超导量子比特,再到了2020年的76个光量子比特。每一个进步看起来都是一小步,却都凝结着很多科研工作者的艰辛付出。

而要真正实现能够全面取代经典计算机的可编程、可纠错的通用量子计算机,至少要掌握制备和操控10万到100万个量级的量子比特的有效方法。所以可以说,量子计算机前进一小步,需要人类跨越技术上的一大步。

正是因为量子计算机的研制目前依然极具挑战性,所以它才能吸引到全世界各国的科学家以及产业界的热情和投入。一旦基础科研得到了巨大的突破,量子计算机就会快速进入到产业化的进程当中,也势必会给我们的生产生活带来巨大的便利。

那个时候,我们将会拥有更安全的通讯方式、更快速的计算方式,以及更高精度的测量方式,这都将拜量子计算机所赐。

有的人可能会焦虑,是不是现在就需要掌握量子计算机的知识?不然未来量子计算机取代了经典计算机,我会不会因为连手机、电脑之类的工具都无法使用,被这个社会所淘汰?

当然,学习是一辈子的事情,我们非常希望莘莘学子能够加入我们的研究团队当中,也非常希望普罗大众能够多去了解量子信息的知识,但是我们不贩卖焦虑。以上的担心都大可不必,因为量子计算机它最终的形式大概率是出现在云端的,终端用户面对的界面一定会是更加适合终端用户的简单模式,就跟现在一样。

如果需要搜索一个信息,只需要写下一个指令,就会传送到远程的量子服务器上,然后由像我这样的工作人员、实验人员在云端为你完成编译、运行、维护等工作,再把最终的结果传递到终端,也就是你的手机或者电脑之上。

所以,以上的担心都大可不必,就请大家等着享受量子计算机在未来带来的重大便利就好。

正是因为量子计算机有着强大的性能,以及经典计算机无可比拟的优势,所以假以时日,它必然会改变世界。但是在这个过程当中,还是需要基础科学的巨大突破,以及资本的大量注入。

不管你是希望加入到量子计算机的研制以及产业化的有志青年,还是乐观其成的一般民众,相信未来都会享受到量子计算机给生产生活带来的巨大便利,就让我们一起来期待吧。

谢谢大家!

本文经授权转载自微信公众号“格致论道讲坛”,部分图片来源于网络



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