近年來(lái)，量子計算和量子計算機在科學(xué)界和工業(yè)界都引起了大量關(guān)注?？茖W(xué)家們期望利用材料的量子性質(zhì)，來(lái)打破傳統計算機小型化的摩爾定律，進(jìn)而建立起新型的量子計算機。量子計算這一概念是著(zhù)名物理學(xué)家理查德·費曼(Richard Feynman)在 1981 年首先引入的。該領(lǐng)域的早期創(chuàng )始人之一，圖靈獎獲得者姚期智先生在 1993 年曾為量子計算理論基礎的建立做出過(guò)核心貢獻。2011 年，姚期智創(chuàng )建清華大學(xué)量子信息中心(CQI)，旨在將后者打造成為世界級的量子計算研究中心。在近期與《國家科學(xué)評論》(National Science Review， NSR)的一次對話(huà)中，姚期智細數了量子計算的歷史，并表達了他對該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的看法。他認為，量子計算機擅長(cháng)的任務(wù)包括新材料設計、藥物設計以及化學(xué)反應模擬等方面，但在傳統計算機已經(jīng)被證明高效的領(lǐng)域，是不太可能取而代之的。

　　NSR：量子通信和量子計算受到媒體的廣泛關(guān)注。二者是兩個(gè)不同的概念嗎?

　　姚期智：量子通信和量子計算是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)，但是彼此獨立的概念。量子計算所需的技術(shù)更為高級。驅動(dòng)量子通信發(fā)展的主要目標是為保密通信建立密碼學(xué)保障，在量子通信中，從一地到另一地的待傳送信號不必是高度準確的。但量子計算卻要求信號的高準確性。在過(guò)去十幾年中，谷歌等大型公司開(kāi)發(fā)出了一些量子計算相關(guān)的新興技術(shù)。一般的看法是，可用的技術(shù)將在未來(lái)五六年中出現。量子計算的理論基礎在 20 年前就已經(jīng)建立了，現在的問(wèn)題是如何實(shí)現它。

　　NSR：量子計算已然成為熱點(diǎn)話(huà)題。它的基本原理是什么?

　　姚期智：半導體電路小型化的快速發(fā)展使得傳統計算機的性能不斷提升。然而，這個(gè)小型化存在一個(gè)固有極限——當芯片上電路元件的尺寸縮小到納米尺度時(shí)，量子力學(xué)效應將會(huì )占據主導地位，并影響元件的性能。這將是摩爾定律的終點(diǎn)。

　　對于傳統計算機來(lái)說(shuō)，這是不可避免的命運;但是科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始考慮，能否把這種情況下有害的量子現象轉變?yōu)橛幸娴?mdash;—構建一個(gè)利用由薛定諤方程描述的量子力學(xué)邏輯進(jìn)行計算的計算機，而不再是利用布爾邏輯進(jìn)行計算的傳統計算機。量子計算機這個(gè)理念是費曼在 1981 年首次提出的。他說(shuō)，原則上，人們可以設計一種計算機，該計算機通過(guò)量子力學(xué)特性來(lái)工作，模擬量子系統并采用量子方程得到解。費曼的這個(gè)理念在學(xué)術(shù)領(lǐng)域引起了很大重視。

　　傳統計算機通過(guò)集成電路利用雙值布爾邏輯(0 和1)發(fā)揮功能。其計算是：把由比特表示的輸入點(diǎn)映射到更高層次，通過(guò)多重映射，得到輸出點(diǎn)以提供最終解。然而，量子計算機的量子比特可以表示1、0 或者這兩個(gè)態(tài)的任意疊加。量子計算機系統的計算類(lèi)似于固體的旋轉;在這個(gè)類(lèi)比中，量子計算機的計算結果類(lèi)似于測量固體旋轉所得到的讀數(旋轉角度可以是連續的任意角度)。傳統計算機的一個(gè)操作，對應一個(gè)確定的路徑;量子計算機的一個(gè)操作，可以沿著(zhù)多個(gè)計算路徑進(jìn)行，而最終達到的是同一個(gè)目標，因為量子波函數允許在同一時(shí)刻存在多個(gè)態(tài)。這個(gè)現象就是量子并行性。量子并行計算是量子計算機的速度可以遠快于傳統計算機的關(guān)鍵原因。

　　NSR：就硬件設計而言，傳統計算機與量子計算機的主要區別是什么?

　　姚期智：量子計算機是一個(gè)相對閉合的系統，其計算幾乎能夠做到瞬時(shí)完成?；旧?，量子計算機表現得十分“羞怯”：一經(jīng)查看，計算就會(huì )被打斷并停止。此外，量子計算機是非常復雜的系統，其涉及到多重前沿性技術(shù)。例如，量子計算機的存儲單元、多個(gè)單元之間的通信、量子比特態(tài)的調制等，都需要用到激光器。就量子計算機的材料與制造工藝而言，其不僅代表著(zhù)過(guò)去三四十年中諸多先進(jìn)技術(shù)的集成，還涉及到各學(xué)科間的緊密合作。

　　NSR：量子現象的不確定性會(huì )影響量子計算的精度嗎?

　　姚期智：會(huì )的，但是一個(gè)不確定的答案并不一定是錯誤的。事實(shí)上，有些量子計算總是能夠得出正確的答案。而且就實(shí)際計算而言，有一些誤差是可以被接受的，無(wú)需 100% 精確。

　　NSR：量子計算機的概念早在 1980 年代初期就已經(jīng)出現，但在之后幾十年中似乎進(jìn)展緩慢。

　　姚期智：的確如此。在費曼提出這一理念后，主要是物理學(xué)家在進(jìn)行深入的理論探索。直到上世紀 90 年代初期，在物理學(xué)家基本上闡明了量子計算機的運行機制后，計算機科學(xué)家才開(kāi)始進(jìn)入這一領(lǐng)域——我本人也是其中之一。1994 年，貝爾實(shí)驗室的 Peter Shor 設計了破解密碼的量子計算算法，引發(fā)了計算學(xué)界的廣泛興趣，美國政府和美國宇航局開(kāi)始投入這一領(lǐng)域。多個(gè)相互競爭、嘗試制造第一臺實(shí)際量子計算機的研究團隊也開(kāi)始出現。

　　NSR：從那時(shí)開(kāi)始，主要的進(jìn)展有哪些?

　　姚期智：自那之后的主要工作是對實(shí)現量子計算機的方案進(jìn)行探討和選擇。在過(guò)去十幾年里，為制造量子計算機，科學(xué)家們嘗試了各種材料，例如離子阱、超導體和鉆石。最近，拓撲絕緣體也因其自身優(yōu)異的可校正功能而成為備選之一。但是前面還有很長(cháng)的路要走，主要困難之一是保持功能態(tài)的超低溫度。

　　NSR：您認為第一臺量子計算機將在何時(shí)出現?

　　姚期智：許多人預測第一臺量子計算機將在未來(lái)五六年中出現，但我認為，要制造出能夠在數千量子比特水平上進(jìn)行可靠計算的量子計算機，絕非易事。谷歌和 IBM 等大公司都在量子計算機研發(fā)上斥入巨資。特別是谷歌，它招募了該領(lǐng)域中最重要的專(zhuān)家 John Marinis 以及他在加州大學(xué)圣芭芭拉分校的整個(gè)團隊。

　　NSR：在您的倡議下，清華大學(xué)在 2011 年建立了量子信息中心(CQI)，這個(gè)中心的目標是什么?

　　姚期智：我們的目標是打造量子信息的世界級中心，并為該領(lǐng)域培養下一代科學(xué)家。因此，我們的當務(wù)之急就是招募高質(zhì)量研究人員，例如我們招募到的美國密西根大學(xué)費米講席教授段路明。過(guò)去幾年里，他在我們中心做出了優(yōu)秀的工作。

　　NSR：采用鉆石系統的優(yōu)勢是什么?

　　姚期智：鉆石系統有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一，它可以在室溫下運行;其二，它具有固態(tài)晶體結構，如果系統能在幾個(gè)量子位水平表現良好，就有可能擴展到更大的尺度。除了鉆石系統，我們中心也在進(jìn)行離子阱、超導體和光子網(wǎng)絡(luò )的研究，而且正在做出很好的進(jìn)展。

　　NSR：量子計算機性能卓越，它們是否將會(huì )替代傳統計算機?

　　姚期智：我認為傳統計算機和量子計算機將會(huì )共存，因為二者各具優(yōu)勢。傳統計算機具有量子計算機尚不具備的準確性和成熟度。但相比于傳統計算機，量子計算機將在解決涉及量子力學(xué)效應的問(wèn)題上具備優(yōu)勢。例如，在材料設計、藥物研發(fā)和物理化學(xué)領(lǐng)域，量子計算機將會(huì )展現出優(yōu)勢，而使用傳統計算機則很難解決這些問(wèn)題。

　　NSR：量子計算機的硬件和軟件都與傳統計算機有很大不同。目前的主要挑戰是什么?

　　姚期智：量子計算是一個(gè)典型的跨學(xué)科領(lǐng)域，需要相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家與工程師密切合作，尤其是量子物理學(xué)家與計算機科學(xué)家之間的合作。算法的突破將激發(fā)硬件的改進(jìn)，反之亦然。例如，我在上文中所提到的 Peter Shor 教授，他不僅證明了量子計算可以解決密碼破解的問(wèn)題，還解決了量子計算中的誤差修正問(wèn)題。正是基于他的這一研究，物理學(xué)家們開(kāi)始確信量子計算機的可行性。而當量子計算機發(fā)展到一定階段，將會(huì )需要計算機科學(xué)的變革。傳統計算機的數據存儲、運算系統和編程語(yǔ)言都需要被重新設計。目前尚不清楚這將怎樣完成，但這是一個(gè)重要的研究方向。許多 IT 行業(yè)的領(lǐng)軍公司早已構建了大量的項目來(lái)發(fā)展量子軟件。

　　量子計算方法和算法的研究是一個(gè)具有巨大潛力的領(lǐng)域。過(guò)去數十年中已經(jīng)出現了多個(gè)優(yōu)雅的計算方法，理論上都很有吸引力。我希望看到更多與實(shí)際相契合的量子計算方法出現，諸如用于材料設計的方法。

　　NSR：量子計算機似乎需要科學(xué)和制造技術(shù)的共同發(fā)展?

　　姚期智：沒(méi)錯。我已經(jīng)強調過(guò)，在中國，制造量子計算機的重要性遠遠超過(guò)只研究量子計算——因為這將帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)行業(yè)的發(fā)展。這種大工程將激發(fā)科學(xué)家和工程師的潛力，他們會(huì )為了求解特定問(wèn)題而創(chuàng )造出新方法和新技術(shù)，這些方法和技術(shù)可以在工業(yè)發(fā)展、國家安全等諸多領(lǐng)域中作出有益于社會(huì )的貢獻。

　　在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗時(shí)，還會(huì )有一些眼前的顧慮。例如，適合于量子計算機的鉆石材料依賴(lài)于國外進(jìn)口。當競爭變得更加激烈，其他國家可能會(huì )拒絕將材料出售給我們。如果我們不自力更生發(fā)展這些材料，未來(lái)將很容易受到限制。另外，在該領(lǐng)域工作，無(wú)法在短期內發(fā)表個(gè)人評價(jià)和職位晉升所需的文章。除非我們改變現有的評價(jià)體系，否則很難激勵研究人員從事這種基礎性研究工作。這些都導致了我們目前仍然依賴(lài)于進(jìn)口的材料和技術(shù)。
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