矽穀傳奇——未來的電腦：量子計算機

今天，我們處於工業革命4.0的時代。如果從人類對物體間的相互作用和物質層次上來看這幾次工業革命。我們會發現，以蒸汽機為代表的工業革命1.0是人們從自然現象中抽象出了力的概念，人們以此建立了描述宏觀物體之間的相互作用理論。當人們理解並應用電磁力之後，工業革命2.0隨之而來，人們仰仗的是分子之間相互作用的理論。當人們理解了原子核內的相互作用後，工業革命3.0和4.0應運而生，這一時期，人類建立了描述原子間相互作用的物理理論——量子力學和相對論。今天，人們已經解決了廣義相對論和量子力學之間的邏輯矛盾，該理論聲稱可以精確地描述原子核內部的結構，那麽在這麽強大的理論指導下會產生什麽樣的技術革命呢？這樣的技術對我們的日常生活會造成怎樣的影響呢？

量子計算機

二十世紀初，相對論和量子力學引發了一場翻天覆地的物理學革命，這是人類史上的最偉大的知識綜合。但是，相對論和量子力學之間存在著邏輯矛盾。量子論和相對論的創始人愛因斯坦和量子論創始人尼爾斯·波爾(Neils Henrik David Bohr)為此爭論了生。波爾去世的前一天，他還在黑板上塗抹著愛因斯坦反對量子論哥本哈根解釋的理想實驗示意圖。量子論的哥本哈根解釋雖然在實驗中得到了驗證，但是哥本哈根解釋很讓人費解，因為它放棄了物理事件的定域性和實在性，這與人們的常識相悖。愛因斯坦和波爾一直到死也沒有說服對方。

1960年代，英國物理學家約翰·貝爾(John Stewart Bell)在數學家馮·諾依曼(John Von Neumann)的量子力學數學基礎一書中發現了一個邏輯錯誤，並在此基礎上推導出了一組著名的不等式——貝爾不等式(Bell’s theorem)，這是物理學史上的最著名的一組不等式。因為它可以被用來驗證我們生活的宇宙是定域實在的還是依賴於我們的觀察的。也就是說，它可以用實驗來解決愛因斯坦和波爾的爭論。

 

約翰·貝爾

貝爾不等式提出後，就有人對其進行了實驗驗證，因技術限製，結果不令人信服。1982年夏，隨著激光技術的進步，精確實驗有了可能。法國奧賽光學研究所的物理學家阿斯派克特(Alain Aspect)主持了第一次在精確意義上檢驗貝爾不等式的實驗。他們把鈣原子激發到高量子態，再讓它落回到基態，釋放出一對對光子。讓兩個光子飛出相隔約12米後，測量其相關性，要是世界符合愛因斯坦理論，兩個光子的相關性符合貝爾不等式。反之，這個世界就不具備定域實在性。3小時後，實驗結果出來了，符合量子論，愛因斯坦的預測偏離了5個標準差！阿斯派克特小組的報告發表於當年12月發表在《物理評論快報》(Physics Review Letters)上。

直到今天，全世界的物理學家都在重複著阿斯派克特的實驗，新手段不斷被引入。馬裏蘭和羅切斯特的研究小組用紫外光，觀測到了連續的輸出相關性。在英國，有人用光纖將兩個糾纏的光子分離4公裏以上，在日內瓦，這一距離達到了數十公裏。在這樣的距離上，貝爾不等式仍然不成立。

1990年，Greenberger，Horne和Zeilinger等人用三個光子的糾纏避開了貝爾不等式，證實了量子論的預言。2000年，潘建偉小組在《自然》(Nature)雜誌上報道，他們的實驗證實了GHZ定理，再次否決了定域實在。該現象變得如此不容置疑，以至於在量子信息領域裏，這已是檢驗兩個量子比特是否糾纏的常規測量了。

阿斯派克特實驗是20世紀物理史上影響最深遠的實驗，它可以和1886年的邁克爾遜-莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment)相提並論。大多數人早就預料到了量子論的勝利。因為量子論自創立以來，在它的每一個應用領域裏都取得了成功。阿斯派克特實驗之後，人們開始相信宇宙是非定域的。也就是說，處在糾纏態的兩個粒子之間有著某種超光速的信號傳遞。因為它不能用來實際傳送信息，與相對論並不矛盾。量子糾纏為我們提供了一種完全無法破譯的通訊手段，這是一種高速、安全的通訊技術，我國的潘建偉教授在該領域多有建樹。

阿斯派克特實驗

基於量子糾纏現象，有人提出了量子計算機的概念。早在1977年，量子論的多宇宙解釋(multiverse)的創始人埃弗萊特(Hugh Everett)接受惠勒(John A. Wheeler)的邀請來到德州大學奧斯丁分校(University of Texas at Austine)演講。惠勒的學生大衛·德義奇(David Deutsch)曾向埃弗萊特請教希爾伯特空間的問題。德義奇後來對量子計算機做出了重大貢獻。

今天的電腦，本質上都是圖靈機。它讀入數據，按算法處理數據，輸出結果。電腦用2進製處理信息。一個2進製數是一個比特(bit)。傳統電腦中一個比特取值隻能是0和1，即開關電路的開或關。十個比特能記錄一個10位的二進製數。

在量子計算機裏，一個比特則同時記錄0和1，即所謂的量子比特(qbit)。十個量子比特記錄的不再是一個10位二進製數了，因為每個比特都處在0和1的疊加態，十個量子比特記錄的是2的10次方的二進製數的疊加。傳統的十個比特隻能處理1個10位的二進製數，十個量子比特能同時處理2的10次方個二進製數。

利用量子比特進行圖靈機式的計算在70年代和80年代初便由Bennett，Benioff等人提出來了。1982年，美國物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)發現，用電腦來模擬量子疊加時，計算量隨模擬對象的增加指數式增長，傳統電腦很快就無法模擬了。費曼指出，也許人們能反過來用量子過程來模擬計算過程。1985年，德義奇仿照圖靈的方法，證明了普適量子計算機的可能性。即在理論上，可以製造一台機器，模擬任何量子計算機的過程，使得一切形式的量子計算成為可能。傳統電腦中的邏輯門，在量子計算機中隻需把它們換成量子邏輯門就行了。

德義奇還證明了，量子計算機無法超越算法，即它隻是一台圖靈機。和傳統圖靈機不同，其內部狀態並不確定，它能同時進行多個指向下一步的操作。傳統電腦屬於決定性圖靈機(Deterministic Turing Machine, DTM)，量子計算機是非決定性圖靈機(NDTM)。德義奇還證明了，量子計算機非常高效，它在執行同一運算時的複雜性比傳統計算機低得多。因為量子糾纏就是天然的並行計算，正如前麵的例子，在傳統計算機處理10比特的信息時，量子計算機處理了2的10次方個經典比特。

德義奇

量子計算機讓計算不再是問題。它最大可能的應用是電子加密術。如今的加密技術依賴於大數的不可分解性。即把一個很大很大的數做質數分解的困難幾乎是不可克服的。隨著數字的加大，一般的質數分解方法所需的時間按指數增長。目前最好的算法也隻比指數性增長稍好。如果用一個大數來加密，隻有當這個數分解時才會泄密，因此很安全。目前最流行的加密方法，都是以此為基礎的。

量子計算機的並行機製讓它能同時處理多個計算，大數從此不再難解。1994年，貝爾實驗室的彼得·肖(Peter Shor)提出了一種量子算法，能有效地分解大數，把分解的難度從指數降到了多項式。分解一個250位的大數，傳統計算機用今天最有效的算法，再讓全球所有計算機聯合工作，得幾百萬年。量子計算機隻需幾分鍾。量子計算機分解250位數時，進行了10的500次方的並行計算。

1996年，貝爾實驗室的洛弗·格魯弗(Lov Grover)發現了一種可以有效搜索排序的數據庫的算法。該算法把傳統計算機算法的複雜性降低了根號n次。目前幾乎所有國家都在關注量子計算，更多的量子算法肯定會被創造出來，如果一天量子計算機能夠實現的話，目前的所有加密算法都將不再有效。就算法而言，量子計算機有兩大優點：一是對於任意一個傳統電腦的算法，均有其相應量子計法；二是存在著傳統電腦算法無法模擬的量子算法。人們隻要造出位數和傳統電腦相近的量子計算機，傳統電腦算法必然會被取代。

量子計算機現在隻是剛起步，目前的硬件水平還不能製造出能實際應用的量子計算機，量子態的糾纏很容易退相幹，這是目前麵臨的嚴重技術困難。但人們的探索從未因此停止。2013年6月，中國科學技術大學潘建偉院士的量子光學和量子信息團隊首次成功實現了用量子計算機求解線性方程組的實驗，還發現了世界上穩定度最高的量子存儲器，為實現實用量子計算機做出了重大貢獻。2015年5月，IBM開發出4個量子比特的原型電路，是未來量子計算機的基礎；IBM還發現了比特翻轉(Bit-Flip)與相位翻轉(Phase-Flip)，使量子計算機工作更穩定。2016年8月，美國馬裏蘭大學發明了世界上第一台5個量子比特的可編程量子計算機。

量子計算除了其並行的內稟性，其計算還是可逆的，也就是說其計算是零能耗的，或者說是絕熱的。在量子計算機商業化中，位於加拿大的D-Wave 公司(D-Wave Systems, Inc)走在最前列。2011年5月11日，D-Wave公布了D-Wave One，是為世界上第一台商用量子計算機，這是一台由絕熱理論的量子退火技術為基礎製造的128個量子比特的量子計算機。它被用於解決最優化問題。2013年5月，D-Wave稱NASA和Google訂購了一台512量子位的D-Wave Two量子計算機。其量子計算芯片由加州NASA噴氣推進實驗室的微型設備實驗室製造。

隨著人類的數據量越來越大，各種類型的量子計算機一定會走進我們的日常生活。不過，目前來看一台簡單的傳統通用電腦就足夠了。量子計算機盡管在短期內不可能取代傳統電腦，但它仍是人類科技文明的一個裏程碑，是未來科技的引擎。

量子通訊

糾纏的量子除了為量子計算奠定了基礎，它也是量子通訊的基礎。當兩個糾纏粒子中的一個量子態發生變化時，另一個會實時發生相應變化。也就是說，其狀態變化是超光速的。兩個糾纏的粒子一旦其中一個的狀態被測量了，另一個粒子的狀態也會改變，這一特性使量子通訊的安全性得到了保障。目前，量子通信網已經建成，盡管量子通訊仍在研發階段，但其規模已經很可觀了。2005年，美國建成了DARPA量子網，有3個節點，它們是BBN公司、哈佛大學和波士頓大學，延伸長度為10公裏。2008年10月，歐盟在維也納演示了一個基於商業網絡包含6個節點的安全量子通信係統。中科大的潘建偉教授科研團隊在量子通訊領域裏，一直處於世界領先地位。他們於2004年實現了五光子糾纏和終端開放的量子態隱形通訊。2009年，該團隊在合肥演示了一個4節點的全通型量子通信網，其最近的兩個節點超過16公裏。2014年11月15日，潘建偉團隊把該係統的安全距離擴展至200公裏，刷新了世界紀錄。2016年8月16日，該團隊發射了首顆量子科學實驗衛星。

潘建偉教授

今天，科學發展的趨勢有兩個：一是發現現有物質在原子層麵和分子層麵的組合方式，這包括生命科學、高端材料等學科；二是探索世界存在的本質，量子論和相對論是這一領域裏的兩大利器。截至今天，這些領域內要有突破性的進展必須要突破計算量太大的難關。就像在生命科學中，隻有搞清楚有機物分子的排列，才有可能去模擬生命的各種可能性。

量子計算對這些領域的發展意義極大，計算能力的飛躍必然導致這些領域的大發展，屆時生命、物質、能量、空間、時間的本質就會展現在人類的麵前，今天的人類連想都不敢想的應用會隨之出現。量子計算一定會給這個世界帶來一次全新的技術革命，今天的我們甚至無法想象這樣的技術革命會給社會帶來怎樣的變化。