姚期智:量子計算機已經進入了走向現實的“最後一公裏”

演講 姚期智整理 黑智11月5日,騰訊第五屆WE大會開幕。2017年是騰訊創辦WE大會的第五年,而今年大會的主題是」若有光」,引自陶淵明在一千六百年留下的名篇《桃花源記》——「林盡水源,便得一山,山有小口,仿佛若有光」,寓意人類對若隱若現的未來之光的不舍追尋。
在大會上,中國科學院院士、量子計算專家、圖靈獎獲得者姚期智進行了演講,講述什麽是量子計算、什麽是量子計算機。他稱,量子計算是一個革命性的計算原理,量子計算機特別快,用量子計算機3個小時運算量等於超級計算機運算六十萬年。人類已經進入一個能看到量子計算機將要做出來的時間段。這是最後的一裏路,但這會是一個非常艱難的的過程。
「量子計算和人工智能可以結合在一起。」他認為,「我們可能做出連大自然都沒有想到會有如此結果的事情。」以下為姚期智演講實錄,經黑智整理:今天我想談的題目是關於量子計算,這個題目是量子計算時代的來臨。量子計算在學術的期刊上,在普通的報紙雜誌上,現在是一個相當熱門的常常被談到的題目,那到底量子計算是什麽?
為什麽量子計算比經典的計算機能夠快那麽多,仍然對大多數人來講,還很神秘。所以我今天的演講來揭開這個麵紗,我先給一個簡短的介紹。20多年以前量子計算機被發現有一個非常奇怪的功能,大家知道RSA是一個現在常用的密碼係統,大家覺得這是一個高度的安全的密碼係統,但是這個密碼係統如果有了量子計算機以後,科學家證明它就變得不安全了,怎麽一回事?比如說我們想用一個RSA的密碼係統,用400位數的整數來做一個密鑰的話,用現在用最大的、最好的超級計算機,需要60萬年才能夠做出來。
但是如果在將來有了一個量子計算機有相當的儲存功能的話,三個鍾頭就可以做出來。我這裏用的數字是科學家的最保守的估計,一般人都認為它能夠比三個鍾頭小的很多的時間就可以做出來。光是這樣你就可以看到量子計算機能夠破解現在沒有辦法破解的密碼,這個震驚了世界學術界。在我的演講裏麵,我們想要回答兩個一般人最想問的問題:第一,量子計算為什麽是一個革命性的計算原理,它和經典的計算機到底不同在哪裏?
它為什麽會這麽快?第二,量子計算機什麽時候會出現?對於第二個問題,我們的了解是量子計算機現在基本上已經是呼之欲出,可以稱為one the
verge of realization 。
我們已經進入一個能看到量子計算機將要做出來的時間段,我們可以把它叫做最後的一裏路,但這會是一個非常艱難的,也是需要經過一段時間的最後一裏路。所以說我在演講裏麵,我要給大家一個有深度的解答,關於這兩個問題。第一,它到底是什麽原理;第二,它為什麽是非常長的一裏路。我們現在這些一般做量子計算機的科學家,他們現在的研究到底是哪一類的工作?
最後,量子計算機雖然它能夠做很多事情,我們想要把它放到更大的視野來看,量子計算在整個計算的框架,甚至在整個21世紀的科學裏麵,它有什麽樣的位置?有沒有更高的價值?我們要談這些事情。我們現在先談量子計算機它為什麽和傳統計算機完全不一樣。
我們中國有一個很古的寓言,是說「楊子見歧路而哭之」,楊朱看到有一隻羊走失了,他走到了分叉的地方,他不知道羊在哪一條路上,這個時候他就不能夠決定,覺得很悲傷,因為看起來唯一的方法,就是你必須先去走一條路,然後再走另外一條路。這代表着我們在做計算機的一個計算問題的時候,我們想要找一個答案,常常要搜索好幾個不同的方向,來看到底哪一個方向才能夠給你一個答案。所以說傳統計算機就有這樣的一個問題。在量子世界裏麵,這個問題能夠得到解決。
我們可以這樣想,在傳統的世界裏麵,楊子看到有歧路,我們腦筋裏麵出現的一個景象,最好的解決方法是什麽呢?如果楊子是孫悟空的話,這個問題就解決了,因為我在頭上拔幾根毛,變出很多個小孫悟空,每個人都走不同的路。這樣的話,大家可以同時搜索,搜索的時間就短了,一個難的問題就變得容易了。而在量子世界的時候,這些最微小的粒子本身就具有孫悟空一樣的能力。
所以,這是一個非常神奇的事情,在這種最微小的量子世界裏麵,一個小孫悟空可以一下子變成兩個孫悟空,有一半的他走一條路,另外一半走另外一條路。所以在量子世界裏麵,在這些最小的分子、原子之下,他們這些小孫悟空,如果我們在一種適合的情況下,他們真的能夠有一個非常好的配合,能夠讓他們所有的分身全部分開,大家一起合作。換句話說,這個就是達到了我們的平行計算,基本上等於有無限多個能夠運作的計算器給你用。這裏畫了一個圖,是它的一個方法,一個孫悟空可以變成兩個小孫悟空。
這種能夠分身的魔術,並不是在所有的計算問題裏麵,都能夠達到這個效果,不幸的是,量子物理世界在原理上還有其他結果。但是,有時候它可以做到。我們現在看看,我們剛剛講的ISA密碼破解的時候,他用的原理是怎麽一回事。在經典物理裏麵,它有一個和量子相似的情況,這個就是光,剛才你看到一個光,光有一個性質,大家碰到一起的時候,能夠幫助消長。
一個非常經典的光學實驗,你如果從一個光源,放出一個光,經過一個螢幕,上麵有很多的小洞,你在後麵再放第二個螢幕,在第二個螢幕上,你就會看到,如果你看的精細的話,螢幕上的這個光,會有一個周期性的現象,有的時候亮,有時候暗,從亮到暗,可以看出有一個不同的變化。到底長的什麽樣子,它是跟光學的原理判斷的。重要的一點是,它這個變化怎麽決定的,是由前麵的波長、螢幕上的針孔之間的距離、參數所決定的。所以,你如果把這個問題反過來看,你如果看到結果以後,會告訴你原本的光源裏麵的性質。
這個波的傳播,從計算機的角度來講,這個並不是太難做,是可以計算的。在量子裏麵,我們怎麽樣用到剛才這件事情?在量子裏麵,如果說我們有一個密碼,我們想要破解,我們可以把它代表成為量子裏麵的量子態,那麽,這個量子態如果你設計它的光學設計,設計得好的話,它就有一個很有意思的結果,它是說你如果去量一量後麵的這個patten的話,它會告訴你這個密碼。你如果真的光學實驗,唯一不幸的是光學實驗中間所需的Situp?
非常的大,需要有指數性的大小。這個時候有一個重要的事情,如果我們有了量子計算機,它可以指數性地把這個時間降下來。這樣的話你在一個不太長的時間,你就能夠量出這些有意思的pattern,你把它反過去就可以查出來它本來的密碼,到底它裏麵的秘密是什麽。這並不是隨便寫出來的,我們剛剛講的破解RSA,就是用這個原理。
當然做量子計算機,除了想破解密碼還有很多事情,它最重要的一個應用,如果我們有了量子計算機,我們就可以像現在能夠模仿古典的物理,用我們的計算機做各種事情。如果有了量子計算機就可以解量子方程式,量子方程式它是最重要的一個方程式,如果你能解量子方程式的話,你可以解決很多物理上的問題、化學上的問題、生物上的問題,你能夠做很多的事情。同時量子計算機和人工智能也有關係,這個等一下我們再談。實際上有很多地方,經過這十幾、二十多年的努力,在實踐的建設量子計算機過程裏麵,現在取得了相當大的進步,我現在就把現在世界上做量子計算機所用的科學技術介紹一下,同時我介紹一下在我們清華大學量子信息中心所做的一些工作。
我們現在基本上經過這20多年的努力,科學家已經了解到什麽樣的材料是最適合做量子計算機的,而且知道這個藍圖基本上是有了,但是它還是一個非常難的實踐過程。現在大家已經可以聽到,也許在以後的半年、一年有很多地方都會宣佈,能夠有50個量子比特、100個量子比特的機器。這些當然令人興奮,這離實用還差的很遠,大家都還沒有考慮怎麽糾錯,因為在量子計算機裏麵糾錯是一個非常難的問題,我們可以看到我們現在進到了最後一裏路,但也是非常長的一裏路。我想告訴大家,在清華大學量子信息中心做什麽事情。
現在有用超導做量子比特,也有用離子來做量子比特,甚至用鑽石做量子比特,它們都各有優劣。比如說鑽石,我們大家都喜歡鑽石,但是它真正的好處是,它是一個固體,同時能夠在常溫工作,不需要用很多的冰箱來冰它,如果有一天要做一個鑽石量子計算機,像鑽石量子計算機又賞心悅目又有麵子,你就可以放在你的桌子上。另外還做一些拓撲的量子計算,對糾錯特別好的,我們在六年以前覺得這個時機已經到了,理論都已經成熟了,工作也都知道往哪個方向,所以我們成立一個量子計算機所,在這個中心裏麵,所有的科技我們都做。我們經過這六年,已經成為世界上相當知名的一個量子計算機中心。
我隨便講一些我們的工作,譬如說我們做出第一個能夠糾錯的量子計算機,雖然隻是在一個很小的基礎上做。另外還做一些事情,在量子計算機裏麵最重要的事情是要做記憶,做記憶兩個事情很重要,一是它需要有很多的存儲,我們最近的一個工作就是在原子上麵能夠做出225個記憶體,這個比以前增加了10倍。另外,我們還希望量子比特存儲得久,比如說0.01秒就消失了,我們最近做的一項工作,用的是離子的量子計算。離子很有意思,它是先把原子用電離的方式做成變成離子,然後用鐳射固定、冷卻,同時操縱它。
用這個,我們有一個新的觀念,能夠做出一個存儲很久的量子存儲。不隻用一種離子,是用兩種不同的離子,就是一個離子來做存儲,另外一個離子幫它的忙,給它散熱,所以這個時間比以前增加很多倍。最後,我講講量子計算在科學裏麵占什麽樣的地位,我想和大家說,對我來講最興奮的將來,就是我們現在兩個最熱門的題目,量子計算和人工智能可以結合在一起。因為人工智能可以是人類想要了解自然界,怎麽樣做出這麽聰明的人,我們想要達到這個境界。
如果說,我們能夠把量子計算用到這個裏麵,我們可能比大自然更聰明,所以在量子計算和人工智能中間,我們也做了一些工作,我現在把所有的事情放在一張PPT上。如果站在我們現在的視角,我們看到這個宇宙,宇宙給我們兩個很大的挑戰,第一個就是宇宙告訴我們,量子物理能夠做出一個很精妙的事情,如果沒有量子計算機我們就不能引領它。在軟件方麵,我們人類能不能到達大自然所做出來的,孕育出來的物種。我們,如果能夠把量子計算機和AI放在一起,我們可能做出連大自然都沒有想到會有如此結果的事情,謝謝大家!
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