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相信大多數人都已經被類似「量子計算機誕生，創世界紀錄」的文章刷屏。這是因為潘建偉教授及其同事在《自然光子學》期刊發表了一篇關於高效多光子玻色取樣[1]的論文。另外，在三月份的時候，潘建偉教授等人還在論文預印網站arxiv.org發表了兩篇關於超導體系中首次實現十個超導量子比特的糾纏[2]，以及快速求解線性方程組的量子演算法[3]的論文，後者將會發表在《物理評論快報》。那麼究竟什麼是量子計算機？潘建偉團隊製造出世界上第一台量子計算機了么？故事要回到1981年。當時，理論物理國際期刊收到了一篇題為《利用計算機模擬物理學》的論文[4]：△ 費恩曼在1981年提交的論文中提到了量子計算機。（圖片來源：Feynman）這篇論文的作者是諾貝爾物理學獎得主費恩曼，他在論文中首次提到了一種全新的計算機——量子計算機（Quantum Computer）。 什麼是量子計算機？ 我們正在使用的計算機（為了便於區分，下面我都稱之為經典計算機）的操作嚴格遵守著邏輯法則。但是微小的量子物體，比如電子、或光子等，可以打破這些規則。基於這些打破經典的量子規則，量子計算機的想法就此孕育而生，它以一種全新的方式處理信息。使它們的運算速度在某些方面相比經典計算機要呈指數增加。△ 量子計算機對數據安全造成了巨大的威脅。（圖片來源：BGR）舉個例子，量子計算機可以輕而易舉的就破解信息安全機制。現在你查看的郵件和銀行數據都是由安全機密系統所保護著的，藉由你給所有使用者不同組的公開密匙來加密只有你能解密的信息。比如現在應用最廣的RSA 加密方式 （由Ronald Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman）是基於一個簡單的共識：即基於經典計算機的邏輯運演算法則下，分解整數的質因數過程是一個複雜的計算過程。分解一個整數N，需要 N^(1/2) 量級的運算次數。當這個數字的位數（在二進位下）足夠多時，這個分解的過程就變得不可能，數據加密就無法被解密。但如果應用基於量子計算邏輯的 shor's algorithm（見下文），整個分解的過程就會被縮減位log₂N量級的運算次數，這就意味著目前最安全的加密方式，幾分鐘就可以破解，而經典計算機可能需要永遠。但通過量子計算機，迅速破解信用卡、國家機密和其它機密資料都不在話下。 量子計算機可以取代經典計算機嗎？ 當我們說量子計算機的處理速度要比經典計算機快許多的時候，的確，這很容易讓人誤解如果科學家成功研製出量子計算機，是否就可以取代現在我們所使用的經典計算機。△ 量子計算機並不是完全「量子」的，它仍需要一堆電子設備來完成基本工作。（圖片來源：Naoya Fujishiro）而事實是，量子計算機並不是在任何情況下都比經典計算機更加快，而只有在特定的任務中才會表現的非常出色。如果你只是想看高清的影片、瀏覽網頁或處理文件，量子計算機並不會帶來什麼進步。量子計算機的處理速度更快的魔法並不在於它處理各個步驟的速度加快了，其關鍵在於它減少了處理步驟的數量（下文有更多討論），不過只有在特定的計算中才是這樣。所以，它無法取代經典計算機。某種程度上說，量子計算機和經典計算機的關係，就好像激光和白熾燈的關係。我們不會用激光去取代白熾燈進行照明，但同樣的白熾燈也無法取代激光在我們日常生活中所取到的各種作用。比如：我們每天使用的寬頻網路，就是基於激光能在在光纖中的長距離傳輸。 那量子計算機可以用來幹嘛？ 量子計算機應該會被大量的應用在政府組織、研發公司和大學之中，用以解決目前經典計算機無法解決的問題。△ 1981年，費恩曼在他的論文中首次提出了量子計算機，並且可以用於模擬量子系統。（圖片來源：Feynman）當費恩曼提出量子計算機時，就想到了它的第一個實際用途：模擬量子系統。為什麼不用量子計算機來模擬量子物理呢？這是一個絕妙的想法。至少它會對化學和生物學產生重大影響。例如，化學家可以準確地模擬藥物間的相互作用，而生物學家則可以研究蛋白質摺疊的所有可能方式，以及它們之間的作用等。雖然起初對量子計算機的研究純粹只是出於學術上的好奇，但到了1994年，貝爾實驗室的數學家彼得·肖爾（Peter Shor）提出了大數因數分解的演算法[5]（大數因素分解是指大數字的質因數分解，如下圖中的例子），才激發了人們對量子計算機的研究熱情和興趣。一個非常大的數字，經典計算機可能需要數十億年的時間將它分解，但通過肖爾的方法只需要幾個小時就可以解開。△ 15的質因數是3×5，91的質因數是7×13，一個具有232位的數字的質因數又是多少？（圖片來源：Jose-Luis Olivares/MIT）量子計算機在識別數據的模式上也有巨大的優勢，這對機器學習問題很有用，比如可以識別在圖像中的不同物體。它們也可以被用以建立預測未來的模型，如長期的天氣預測。這些只是一些可以預見的用途，但最終，量子計算機的能力是無法被預測的。回到1943年，IBM公司的總裁托馬斯·沃森宣稱：「我認為全世界只需要差不多五台計算機。」 現在家家戶戶可能都有五台。而量子計算機的潛力，也是無法想象的。 量子計算機是如何運作的？ 經典計算機中的晶元包含模組，模組包含邏輯門，邏輯門包含晶體管。晶體管代表著計算機的處理器里一個最簡單的形態。簡單說是個可以阻擋、通過信息的開關。我們用 「開」，存儲數字 1，用關，存儲數字 0 。每個 0 或 1 代表一個二進位數字（即比特）。比特代表著信息的最小單位。△ 比特只能儲存 1 或者 0 ，而量子比特可以同時儲存多個值。（圖片來源：https://universe-review.ca/R13-11-QuantumComputing.htm）而量子計算機用來儲存數據的對象是「量子比特」，它可以儲存 0 或 1。但瘋狂的是，量子比特也能達到混合狀態，稱之為「疊加態」。也就是說，量子比特能同時存儲 1 或 0 或者既是 1 又是 0，它代表著 0 和 1 之間所有可能的疊加狀態。這種模糊性——可以同時「是」和「不是」——正是量子計算機的獨特魅力。雖然你無法預測量子比特會處於哪個狀態，但當你測量它的瞬間，它將會坍縮成一個固定的狀態。 量子疊加態的性質是如何改變遊戲規則的？ 經典計算機和量子計算機的根本區別在於它們解決問題的方式。經典計算機解決一個問題的方式就類似於你試圖逃離一個迷宮——嘗試所有可能的走道，途中會遇到死路，直到你最終找到出口。而疊加態的魔力則在於，它允許量子計算機在同一時間嘗試所有的路徑，也就是說，它會迅速的找到一條捷徑。經典計算機中的兩個比特可以有四種不同的組合（即 00、01、10或11），但它們每次只能處於其中的一個狀態。這就限制了計算機的處理速度，就好像在迷宮中要嘗試一個個走道。△ 四個比特有16種不同的組合，但一次只能代表其中的一個。（圖片來源：Kurzgesagt ）在量子計算機中，兩個量子比特同樣也有四種態（00、01、10或11）。不同的是，由於疊加態，兩個量子比特可以同時處於這四種狀態。有點像四台經典計算機同時并行工作。如果在經典計算機中增加更多的比特，它依舊只能在一個時間內處理一個態。但是當你增加量子比特時，量子計算機的能力就會以指數式增長。從數學上來說，如果有「n」個量子比特，就可以同時代表2的n次方個態。在一個著名的傳說中，國際象棋的發明者印度人塞薩（Sessa）向他的國王請求賞賜，他說，希望因為發明國際象棋棋盤的第一個格而得到一粒米，因為第二個格得到兩粒米，因為第三格得到四粒米，如此在每后一個格都增加一倍的米量。國王欣然答允，事後才意識到即使整個國庫的米也無法填滿整個棋盤啊！這便是指數級增長的力量。△ 20個量子比特就可以平行存儲約100萬個數值。（圖片來源：Kurzgesagt ）就像上面的每一個格增加一倍的米量，每一個額外的量子比特都把處理能力翻倍。三個量子比特可以同時代表8（= 2³）種狀態；四個量子比特則可以同時代表16（=2⁴）種狀態。64個呢？你會得到18,446,744,073,709,600,000（=2⁶⁴）的可能！雖然64個比特也代表了2⁶⁴種狀態，但它一次只能代表其中一種。要循環所有這些組合，一台現代的個人計算機需要400年的時間。所有這些都體現出了量子計算機的優越性。雖然目前它無法取代經典計算機，但對於經典計算機而言「幾乎不可能的任務」，量子計算機都可以解決。 除了量子疊加態，還有其它重要性質嗎？ 但為了得到指數式的計算速度，所有的量子比特都必須通過一種叫做「量子糾纏」的過程聯繫在一起。愛因斯坦將量子糾纏稱為「鬼魅般的超距作用」（詳細討論可閱讀《宇宙貝爾實驗》）。△ 糾纏的兩個粒子。起初兩個粒子處於自旋向上或向下的狀態，一旦知道了其中一個自旋狀態，我們就立即知道另一個的自旋狀態，無論相距多遠。（圖片來源：Jen Christiansen）舉個例子，在上圖中，起初被糾纏的兩個粒子都處於自旋向上或向下的疊加態。一旦我們通過測量知道了第一個粒子的自旋是向上的，那麼第二個粒子的自旋肯定向下，即使它們相隔宇宙的兩端。當有多個量子比特被糾纏的時候，對其中的一個量子比特的操作就會瞬時影響所有其它的量子比特，就意味著空前的并行運算能力。一般認為需要50個量子比特，才能證明量子霸權超越經典邏輯計算機的極限 ，即有真正的實用價值，並讓它們結合起來成為可儲存和可操作的量子處理器。50個邏輯量子比特就可以描述量子霸權[6]， 而要這50個邏輯量子比特穩定的工作需要幾千個物理量子比特去實現誤差校正，即去維持量子疊加態，需要巨大的物理資源。即使在超低溫下，環境因素的影響降到最低，不同量子比特的相互作用，也會讓量子比特丟失量子相干性，而一切量子計算機都是基於量子相干性。而且量子比特的數量越多，相互之間的作用就更不可控。 所以即使增加一個邏輯量子比特也是很艱巨的任務。當然，這是在通用量子計算模型下，證明量子霸權。由Aaronson和Arkhipov於2013年提出，是一種基於線性光學的量子計算機模型，雖然是非-通用的模型，但是在取樣和尋找問題方面可以體現量子霸權。 而這種模型的優勢就是，所需要的物理資源大大減少。△ 單一的光子是一種量子比特，0 和 1 可能存在的狀態就像是光子橫向或縱向的偏振，在量子世界，光子可以同時表現出所有的偏振狀態。直到你把一個光子送到濾光器，它必須決定自己是縱向或橫向偏振。（圖片來源：Kurzgesagt）而潘建偉團隊做的玻色採樣，即是在光子平台上，對這一模型的實現。他們通過電控可編程的光量子線路，首次在國際上實現5光子玻色採樣。他們的結果表明，該原型機的取樣速度比國際同類實驗加快至少24000倍，也比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍。可以說這是歷史上第一台超越最早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機。△ 光量子計算原型機。（圖片來源：中青報·中青在線）此外，科學家也利用超導線路中的電磁振蕩作為量子比特。這些作為量子比特的線路可以取值 0（沒有光子通過）或 1（有微波光子）。先前谷歌、美國航天航空局和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱，但這一記錄已被潘建偉團隊打破。此次他們研發了10個超導量子比特的線路樣品，通過發展全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。目前，世界各大實驗室都競相在研發第一台能夠實現「量子霸權」的量子計算機。究竟誰會拔得頭籌，我們拭目以待。參考來源：【1】http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html【2】https://arxiv.org/abs/1703.10302【3】https://arxiv.org/abs/1703.06613【4】https://people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Feynman.pdf【5】https://arxiv.org/pdf/quant-ph/9508027v2.pdf【6】https://arxiv.org/abs/1608.00263【7】文匯網/青年報本文經 原理 授權轉載