郭光燦院士：“量子計(jì)算器”可能先出現(xiàn)

郭光燦院士：“量子計(jì)算器”可能先出現(xiàn)

郭光燦院士在論壇上

人們對(duì)“超光速的信息傳輸”的誤導(dǎo)，源于量子糾纏。“量子糾纏非常奇異：A、B兩個(gè)糾纏粒子，對(duì)其中一個(gè)粒子的‘測(cè)量’便瞬時(shí)引起另一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化——這種瞬時(shí)的變化被認(rèn)為是超光速的通信、 ‘幽靈般地超距效應(yīng)’。”郭光燦說，其實(shí)，和經(jīng)典世界一樣，量子世界并不存在超光速的信息傳輸。

“那么‘幽靈’究竟是什么？事實(shí)是，兩個(gè)糾纏粒子之間的瞬時(shí)變化無需（未發(fā)生）任何信息的傳遞，真實(shí)的物理原因是它們的‘量子關(guān)聯(lián)’。”他說，量子關(guān)聯(lián)是產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的本質(zhì)因素。

而所謂量子信息技術(shù)可以把人瞬移到另外一個(gè)地方，只存在于科幻電影里。

“可以負(fù)責(zé)任地說，量子技術(shù)肯定做不到瞬移，這不是技術(shù)達(dá)不到，而是原理不通。”郭光燦說：“把科學(xué)幻想和神話當(dāng)成科學(xué)知識(shí)來傳播，是將量子力學(xué)妖魔化。”

量子計(jì)算機(jī)最大的不同：并行運(yùn)算能力

談到量子計(jì)算機(jī)，郭光燦院士首先提到了“摩爾定律的終結(jié)”。

“一旦摩爾定律終結(jié)了，什么技術(shù)能繼續(xù)提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度？量子計(jì)算技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的最大不同，是來自于量子世界特性的并行運(yùn)算能力——量子計(jì)算機(jī)就是靠并行運(yùn)算能力來加速運(yùn)算速度的。”

美國數(shù)學(xué)家Peter·Shor提出了一種可以求解大數(shù)質(zhì)因子分解的算法——“Shor算法”，這種方法可以破解當(dāng)前已被廣泛使用的公開密鑰加密方法（RSA加密）。但是這種算法要想分解一個(gè)位數(shù)較多的大數(shù)也是非常困難的。

郭光燦舉例說，比如要分解一個(gè)129位大數(shù)的質(zhì)因數(shù)，有科學(xué)家曾用1600臺(tái)計(jì)算機(jī)花了8個(gè)月的時(shí)間才分解成功——這也正是這一加密方法被廣泛應(yīng)用的原因。但是一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，幾秒鐘就能破解。

也就是說，一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，現(xiàn)在廣泛使用的公開密碼體系將會(huì)瓦解。郭光燦說，最近美國已經(jīng)宣布要把現(xiàn)有的公開密鑰分期分批淘汰，這也是因?yàn)椤傲孔佑?jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)已不再是遙遙無期了”。

“經(jīng)典計(jì)算機(jī)跟量子計(jì)算機(jī)相比，就好像算盤跟經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)相比一樣。因此，一旦通用的量子計(jì)算機(jī)問世，人類社會(huì)將會(huì)經(jīng)歷天翻地覆的變化。”郭光燦表示。

中國量子芯片“超導(dǎo)路線”遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后

美國自90年代初就布局了量子計(jì)算機(jī)的研究，如今逐步聚焦到半導(dǎo)體量子芯片和超導(dǎo)固態(tài)體系。郭光燦介紹說，目前這兩個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展各有千秋。

超導(dǎo)體系方面，郭光燦說：“超導(dǎo)固態(tài)體系的好處是可擴(kuò)展，缺點(diǎn)是量子相干性非常脆弱——如果量子計(jì)算機(jī)還沒來及解決問題（量子相干性）就被破壞掉，那么運(yùn)算就失敗了。因此，（對(duì)于超導(dǎo)路線）量子容錯(cuò)是一個(gè)關(guān)鍵問題。”

而半導(dǎo)體量子芯片，郭光燦說，國際上目前已制備出三個(gè)比特的半導(dǎo)體量子芯片；中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目前也已經(jīng)做到三個(gè)量子比特，基本上達(dá)到國際的水平。

但郭光燦表示：“半導(dǎo)體路線，雖然有進(jìn)展，但是離終點(diǎn)還很遠(yuǎn)。”他還提到，在超導(dǎo)量子芯片方面，國際上比較領(lǐng)先，相干時(shí)間已經(jīng)延長到100微秒，量子比特?cái)?shù)做到了十幾個(gè)，而國內(nèi)在超導(dǎo)路線上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

“量子計(jì)算機(jī)的主要困難，除了量子芯片的量子比特?cái)?shù)要達(dá)到一定數(shù)量（可實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)可能至少需要1000個(gè)物理量子比特）之外，還要求量子相干時(shí)間足夠長，這需要采用量子糾錯(cuò)和容錯(cuò)技術(shù)，然而這兩項(xiàng)技術(shù)都很難實(shí)現(xiàn)。”郭光燦說，雖然理論上能夠解決，但做起來極其困難。

“量子計(jì)算機(jī)的研制是一個(gè)復(fù)雜的工程問題。”郭光燦介紹說，其所涉及的硬件問題包括量子芯片、操控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等的研發(fā)以及用于制備量子芯片的材料等；軟件包括量子編碼、量子軟件、量子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等。

“量子計(jì)算器”可能先出現(xiàn)

關(guān)于“量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)？”這一問題，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)辦公室曾于2017年7月發(fā)文稱：“預(yù)計(jì)幾十個(gè)量子比特、可供早期量子計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的系統(tǒng)可望在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。”歐盟委員會(huì)則在2017年5月于荷蘭阿姆斯特丹舉辦的歐洲量子會(huì)議上發(fā)布《量子宣言》，計(jì)劃“5年內(nèi)發(fā)展量子計(jì)算機(jī)新算法，5~10年用大于100物理量子比特、有特定用途的量子計(jì)算機(jī)解決化學(xué)和材料科學(xué)難題”。

加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家John Preskill曾提出“quantum supremacy”（被譯作“量子霸權(quán)”），用以表達(dá)一旦研制成功，“量子計(jì)算機(jī)將擁有傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)所不具有的能力”。

對(duì)此，郭光燦表示，要實(shí)現(xiàn)quantum supremacy，量子芯片的量子比特?cái)?shù)起碼要達(dá)到100個(gè)左右：“也就是說做到經(jīng)典計(jì)算機(jī)沒有辦法超越的水平可能要到100個(gè)邏輯比特左右。”

不過，郭光燦認(rèn)為，即使實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，其應(yīng)用也是非常有限：“只能用于功能比較低級(jí)的應(yīng)用，而且是專用機(jī)不是通用機(jī)。

專用機(jī)是指在相干時(shí)間內(nèi)處理特定任務(wù)的機(jī)器。不過，專用機(jī)盡管低級(jí)，其五臟俱全。“就像電子計(jì)算機(jī)普及以前，電子計(jì)算器先普及一樣，功能很差但是它是數(shù)據(jù)運(yùn)算很全。將來有可能先是量子計(jì)算器產(chǎn)品上市，這是大概的狀態(tài)。”郭光燦認(rèn)為，未來率先上市的可能是“量子計(jì)算器”。

作者：趙廣立 來源：科學(xué)網(wǎng)