姚期智：崛起中的量子計算

來源：微軟研究院AI頭條 時間：2019-02-15 14:42:23 作者：

Δ圖靈獎得主、清華大學(xué)交叉信息研究院教授兼院長姚期智

盡管量子計算已經(jīng)被談?wù)摿撕芏嗄?，很多計算機(jī)科學(xué)家仍然覺得它是一個非常神秘的事情。但在未來計算機(jī)領(lǐng)域，量子計算將是最令人興奮的發(fā)展之一。什么是量子計算？它為什么如此令人興奮？它比傳統(tǒng)計算機(jī)又強(qiáng)大在哪里？今天，我們一起來了解一下崛起中的量子計算。

什么是量子計算？

當(dāng)圖靈和其他計算機(jī)探索者在研究計算機(jī)的時候，人們覺得自己已經(jīng)知道計算的極限是什么了。但在1981年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出了一個問題“計算機(jī)能否有效地模擬量子物理系統(tǒng)？”

如果使用經(jīng)典計算機(jī)來模擬，需要數(shù)百萬年才能完成模擬。但是如果拋開傳統(tǒng)的計算機(jī)原理，使用量子材料，或許可以創(chuàng)造出一種新的計算機(jī)，獲得一種新的計算模式。這就是量子計算機(jī)。

有別于經(jīng)典計算機(jī)使用二進(jìn)制比特作為輸入，量子計算機(jī)輸入的是量子比特，可以表示經(jīng)典的0、1狀態(tài)，也可以表示更多的狀態(tài)。量子設(shè)備是一種模擬設(shè)備。對于傳統(tǒng)計算，輸出的結(jié)果就是最后的數(shù)字，而在使用量子設(shè)備做計算的時候，需要對輸出結(jié)果進(jìn)行專門的測量，最后才能得到輸出。

傳統(tǒng)計算機(jī)和量子計算機(jī)的運(yùn)行方式也不同。傳統(tǒng)計算機(jī)中的主要計算方式是使用布爾運(yùn)算操作普通比特，而量子計算機(jī)是在量子空間里對量子比特進(jìn)行模擬操作，來模擬量子狀態(tài)。

什么使得量子計算如此強(qiáng)大？

在量子世界里，由于量子比特的量子疊加態(tài)特性，量子計算機(jī)擁有了并行計算的能力。

那么量子計算到底有多強(qiáng)大呢？舉個例子，如果我們對四百位整數(shù)進(jìn)行因式分解，現(xiàn)在最快的超級計算機(jī)也需要六十萬年，如果是做量子計算機(jī)，只需要幾個小時，甚至有人說幾分鐘就可以做到。當(dāng)然，量子計算機(jī)能做的不僅僅是整數(shù)的因式分解，我們希望能夠做出大型的量子計算機(jī)，解決很多現(xiàn)在做不了的事情，比如密碼破解，模擬量子物理系統(tǒng)，模擬材料學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)，以及人工智能中的很多問題。

那么，量子計算機(jī)究竟是如何加速計算的？

這個問題可以通過介紹由Peter Shor發(fā)明的大數(shù)分解量子算法來解釋。首先，我們需要回到物理學(xué)的一個分支-X射線晶體學(xué)，通過X射線來分析物體的結(jié)構(gòu)。1913年，Braggs父子推導(dǎo)出了X射線的衍射現(xiàn)象的數(shù)學(xué)公式。假設(shè)有一個未知結(jié)構(gòu)的晶體，你從各個角度對這個晶體拍攝了一些x射線照片，現(xiàn)在根據(jù)數(shù)學(xué)公式，你可以恢復(fù)出晶體的結(jié)構(gòu)。這個方法是非常成功的，由此產(chǎn)生了許多諾貝爾獎。

我們是否可以借助于這一方法來分析一個整數(shù)N？利用算法構(gòu)建一個“晶體”，然后利用人工光源，例如X射線，去照射它，得到“晶體”的衍射圖，最后用得到的衍射圖分析出整數(shù)N的“結(jié)構(gòu)”?，F(xiàn)在問題是這個“晶體”以及得到的“衍射圖”體積非常巨大。事實上，我們其實并不需要整張圖片，只需要幾個樣本點(diǎn)就夠了，并不需要指數(shù)級的樣本數(shù)。那么如何去進(jìn)行采樣？根據(jù)光子的波粒二象性，一個光子通過裝置后的概率分布將與經(jīng)典情形相同。因此，我們只需要模擬一個光子透過“晶體”產(chǎn)生的衍射圖。與經(jīng)典計算機(jī)相比，量子計算機(jī)可以以指數(shù)級的效率完成這個模擬過程，比傳統(tǒng)的計算機(jī)快非常多倍。

量子計算最新研究進(jìn)展

20年前，有一些物理學(xué)家可能會說量子計算機(jī)永遠(yuǎn)無法實現(xiàn)，而20年后的今年，量子計算機(jī)已經(jīng)逐漸浮出水面。例如，關(guān)于使用什么東西做量子處理器的問題。20年前，大家說有20種方式做量子計算機(jī)，而現(xiàn)在人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)只有幾個選項是潛力比較大的，比如超導(dǎo)量子比特、離子比特、鉆石量子比特、拓?fù)淞孔颖忍?，它們很有可能成為未來做量子計算機(jī)的路徑。

所有的技術(shù)方案都有自己的長處和不足。比如，金剛石量子計算機(jī)可以在室溫下工作并且擁有固態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)，容易進(jìn)行擴(kuò)展；超導(dǎo)方案目前在可操作的量子比特數(shù)上方面是領(lǐng)先的，但是必須在低溫環(huán)境下工作；拓?fù)浞桨赣懈玫募m錯能力，但是目前進(jìn)展比較緩慢。

目前，量子計算已經(jīng)成為了一個主流研究方向，學(xué)界對這一領(lǐng)域的相關(guān)獎勵機(jī)制也越來越健全，不久的將來我們能看到很多聰慧的科學(xué)家在這個領(lǐng)域鉆研深耕。但是同時，量子計算的發(fā)展在每一個階段都是非常困難的，想要增加量子比特數(shù)需要耗費(fèi)大量的心血和時間。

為什么量子計算對未來如此重要？在過去的一個世紀(jì)，計算機(jī)硬件領(lǐng)域有很多的進(jìn)展，而量子計算的出現(xiàn)使得計算機(jī)在非常基礎(chǔ)的層面也可以有很多創(chuàng)新。不僅是硬件領(lǐng)域，AI也是量子計算關(guān)注的重點(diǎn)?，F(xiàn)在的面部識別機(jī)器已經(jīng)在某些方面超越了人類，量子計算雖然不能全面地和人類匹敵，但也可以在某些方面一較高下。

因為量子計算的出現(xiàn)，我們最終可以去預(yù)測未來。至少根據(jù)目前的理解，一旦擁有了量子計算機(jī)，人們就能掌握自然中最神秘的部分?？梢詫⒆匀蛔鳛榛鶞?zhǔn)，看看我們和自然之間到底有多大的差距。

總而言之，量子計算機(jī)是一個革命式的產(chǎn)品，它和傳統(tǒng)計算機(jī)完全不同，未來我們還會經(jīng)歷一個非常困難的時期。目前，量子計算在世界上多個國家都得到了關(guān)注，以微軟為代表的眾多科技公司也在相繼開發(fā)研究，因為在未來，量子計算將產(chǎn)生巨大的影響，我們完全有理由說未來“量子計算+AI”將成為新的時代主題。這兩大主題的交織下又將產(chǎn)生什么新的應(yīng)用，讓我們拭目以待！

責(zé)任編輯：李蘭松