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姚期智：呼之欲出的量子计算机，和它漫长的最后一英里（全文）
图：中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智 近日，中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智在腾讯WE大会的五周年论坛上远程发布了最新演讲。姚期智用RSA的密码系统作例子说明了量子计算机的巨大潜力：“用400位数的整数来做一个密钥的话，用现在的超级计算机需要60万年才能做出来。但是如果在将来有了一个量子计算机三个钟头就可以做出来。” 接下来，姚期智简洁且有深度的为现场听众讲解了量子计算的原理，以及它距离诞生的最后一英里为何如此漫长。他把“量子计算”和“人工智能”称为未来两大最令人激动的话题，“如果能够把量子计算机和AI放在一起，我们可能做出连大自然都没有想到会有如此结果的事情。” 以下为姚期智先生的演讲原文：
今天我想谈的题目是关于量子计算，这个题目是量子计算时代的来临。量子计算在学术的期刊上，在普通的报纸杂志上，现在是一个相当热门的常常被谈到的题目，那到底量子计算是什么？为什么量子计算比经典的计算机能够快那么多，仍然对大多数人来讲，还很神秘。 所以我今天的演讲来揭开这个面纱，我先给一个简短的介绍，也是一个相当有深度的介绍。 20多年以前量子计算机被发现有一个非常奇怪的功能，大家知道RSA是一个现在常用的密码系统，大家觉得这是一个高度的安全的密码系统，但是这个密码系统如果有了量子计算机以后，科学家证明它就变得不安全了，怎么一回事？ 比如说我们想用一个RSA的密码系统，用400位数的整数来做一个密钥的话，用现在最大的、最好的超级计算机，需要60万年才能够做出来。但是如果在将来有了一个量子计算机有相当的储存功能的话，三个钟头就可以做出来。我这里用的数字是科学家的最保守的估计，一般人都认为它能够比三个钟头少很多的时间就可以做出来。光是这样你就可以看到量子计算机能够破解现在没有办法破解的密码，这个震惊了世界学术界。 在我的演讲里面，我们想要回答两个一般人最想问的问题：
对于第二个问题，我们的了解是量子计算机现在基本上已经是呼之欲出，可以称为on the verge of realization 。我们已经进入一个能看到量子计算机将要做出来的时间段，我们可以把它叫做最后的一里路，但这会是一个非常艰难的，也是需要经过一段时间的最后一里路。 所以说我在演讲里面，我要给大家一个有深度的解答，关于这两个问题。
我们要谈这些事情。 量子计算机和经典计算机不同在哪里？ 我们现在先谈量子计算机为什么和传统计算机完全不一样。我们中国有一个很古的寓言，是说“杨子见歧路而哭之”，杨朱看到有一只羊走失了，他走到了分叉的地方，他不知道羊在哪一条路上，这个时候他就不能够决定，觉得很悲伤，因为看起来唯一的方法，就是你必须先去走一条路，然后再走另外一条路。这代表着我们在做计算机的一个计算问题的时候，我们想要找一个答案，常常要搜索好几个不同的方向，来看到底哪一个方向才能够给你一个答案。所以说传统计算机就有这样的一个问题。 在量子世界里面，这个问题能够得到解决。 我们可以这样想，在传统的世界里面，杨子看到有歧路，我们脑筋里面出现的一个景象，最好的解决方法是什么呢？如果杨子是孙悟空的话，这个问题就解决了，因为我在头上拔几根毛，变出很多个小孙悟空，每个人都走不同的路。这样的话，大家可以同时搜索，搜索的时间就短了，一个难的问题就变得容易了。 而在量子世界的时候，这些最微小的粒子本身就具有孙悟空一样的能力。所以，这是一个非常神奇的事情，在这种最微小的量子世界里面，一个小孙悟空可以一下子变成两个孙悟空，有一半的他走一条路，另外一半走另外一条路。 所以在量子世界里面，在这些最小的分子、原子之下，他们这些小孙悟空，如果我们在一种适合的情况下，他们真的能够有一个非常好的配合，能够让他们所有的分身全部分开，大家一起合作。换句话说，这个就是达到了我们的平行计算，基本上等于有无限多个能够运作的计算器给你用。 这种能够分身的魔术，并不是在所有的计算问题里面，都能够达到这个效果，不幸的是，量子物理世界在原理上还有其他结果。但是，有时候它可以做到。 我们现在看看，我们刚刚讲的ISA密码破解的时候，他用的原理是怎么一回事。 在经典物理里面，它有一个和量子相似的情况，这个就是光，刚才你看到一个光，光有一个性质，大家碰到一起的时候，能够帮助消长。一个非常经典的光学实验，你如果从一个光源，放出一个光，经过一个屏幕，上面有很多的小洞，你在后面再放第二个屏幕，在第二个屏幕上，你就会看到，如果你看的精细的话，屏幕上的这个光，会有一个周期性的现象，有的时候亮，有时候暗，从亮到暗，可以看出有一个不同的变化。到底长的什么样子，它是跟光学的原理判断的。
重要的一点是，它这个变化怎么决定的，是由前面的波长、屏幕上的针孔之间的距离、参数所决定的。所以，你如果把这个问题反过来看，你如果看到结果以后，会告诉你原本的光源里面的性质。 这个波的传播，从计算机的角度来讲，这个并不是太难做，是可以计算的。 在量子里面，我们怎么样用到刚才这件事情？在量子里面，如果说我们有一个密码，我们想要破解，我们可以把它代表成为量子里面的量子态，那么，这个量子态如果你设计它的光学设计，设计得好的话，它就有一个很有意思的结果，它是说你如果去量一量后面的这个patten的话，它会告诉你这个密码。你如果真的光学实验，唯一不幸的是光学实验中间所需的Situp？非常的大，需要有指数性的大小。这个时候有一个重要的事情，如果我们有了量子计算机，它可以指数性地把这个时间降下来。 这样的话你在一个不太长的时间，你就能够量出这些有意思的pattern，你把它反过去就可以查出来它本来的密码，到底它里面的秘密是什么。这并不是随便写出来的，我们刚刚讲的破解RSA，就是用这个原理。 当然做量子计算机，除了想破解密码还有很多事情，它最重要的一个应用，如果我们有了量子计算机，我们就可以像现在能够模仿古典的物理，用我们的计算机做各种事情。如果有了量子计算机就可以解量子方程式，量子方程式它是最重要的一个方程式，如果你能解量子方程式的话，你可以解决很多物理上的问题、化学上的问题、生物上的问题，你能够做很多的事情。 同时量子计算机和人工智能也有关系，这个等一下我们再谈。 量子计算机什么时候会出现？ 实际上有很多地方，经过这十几、二十多年的努力，在实践的建设量子计算机过程里面，现在取得了相当大的进步，我现在就把现在世界上做量子计算机所用的科学技术介绍一下，同时我介绍一下在我们清华大学量子信息中心所做的一些工作。 我们现在基本上经过这20多年的努力，科学家已经了解到什么样的材料是最适合做量子计算机的，而且知道这个蓝图基本上是有了，但是它还是一个非常难的实践过程。 现在大家已经可以听到，也许在以后的半年、一年有很多地方都会宣布，能够有50个量子比特、100个量子比特的机器。这些当然令人兴奋，这离实用还差的很远，大家都还没有考虑怎么纠错，因为在量子计算机里面纠错是一个非常难的问题，我们可以看到我们现在进到了最后一里路，但也是非常长的一里路。 我想告诉大家，在清华大学量子信息中心做什么事情。现在有用超导做量子比特，也有用离子来做量子比特，甚至用钻石做量子比特，它们都各有优劣。比如说钻石，我们大家都喜欢钻石，但是它真正的好处是，它是一个固体，同时能够在常温工作，不需要用很多的冰箱来冰它，如果有一天要做一个钻石量子计算机，像钻石量子计算机又赏心悦目又有面子，你就可以放在你的桌子上。 另外还做一些拓扑的量子计算，对纠错特别好的，我们在六年以前觉得这个时机已经到了，理论都已经成熟了，工作也都知道往哪个方向，所以我们成立一个量子计算机所，在这个中心里面，所有的科技我们都做。我们经过这六年，已经成为世界上相当知名的一个量子计算机中心。 我随便讲一些我们的工作，譬如说我们做出第一个能够纠错的量子计算机，虽然只是在一个很小的基础上做。 另外还做一些事情，在量子计算机里面最重要的事情是要做记忆，做记忆两个事情很重要，一是它需要有很多的存储，我们最近的一个工作就是在原子上面能够做出225个记忆体，这个比以前增加了10倍。 另外，我们还希望量子比特存储得久，比如说0.01秒就消失了，我们最近做的一项工作，用的是离子的量子计算。离子很有意思，它是先把原子用电离的方式做成变成离子，然后用镭射固定、冷却，同时操纵它。 用这个，我们有一个新的观念，能够做出一个存储很久的量子存储。不只用一种离子，是用两种不同的离子，就是一个离子来做存储，另外一个离子帮它的忙，给它散热，所以这个时间比以前增加很多倍。 最后，我讲讲量子计算在科学里面占什么样的地位，我想和大家说，对我来讲最兴奋的将来，就是我们现在两个最热门的题目，量子计算和人工智能可以结合在一起。因为人工智能可以是人类想要了解自然界，怎么样做出这么聪明的人，我们想要达到这个境界。 如果说，我们能够把量子计算用到这个里面，我们可能比大自然更聪明，所以在量子计算和人工智能中间，我们也做了一些工作，我现在把所有的事情放在一张PPT上。 如果站在我们现在的视角，我们看到这个宇宙，宇宙给我们两个很大的挑战，第一个就是宇宙告诉我们，量子物理能够做出一个很精妙的事情，如果没有量子计算机我们就不能引领它。在软件方面，我们人类能不能到达大自然所做出来的，孕育出来的物种。 我们，如果能够把量子计算机和AI放在一起，我们可能做出连大自然都没有想到会有如此结果的事情，谢谢大家！ |
