專訪清華大學姚期智院士：量子計算的未來

演算法與數學之美發表於2018-12-24

近年來，量子計算和量子計算機在科學界和工業界都引起了大量關注。科學家們期望利用材料的量子性質，來打破傳統計算機小型化的摩爾定律，進而建立起新型的量子計算機。量子計算這一概念是著名物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）在1981年首先引入的。該領域的早期創始人之一，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核心貢獻。2011年，姚期智建立清華大學量子資訊中心（CQI），旨在將後者打造成為世界級的量子計算研究中心。在近期與《國家科學評論》（National Science Review， NSR）的一次對話中，姚期智細數了量子計算的歷史，並表達了他對該領域未來發展的看法。他認為，量子計算機擅長的任務包括新材料設計、藥物設計以及化學反應模擬等方面，但在傳統計算機已經被證明高效的領域，是不太可能取而代之的。

NSR：量子通訊和量子計算受到媒體的廣泛關注。二者是兩個不同的概念嗎？

姚期智：量子通訊和量子計算是兩個相互關聯，但是彼此獨立的概念。量子計算所需的技術更為高階。驅動量子通訊發展的主要目標是為保密通訊建立密碼學保障，在量子通訊中，從一地到另一地的待傳送訊號不必是高度準確的。但量子計算卻要求訊號的高準確性。在過去十幾年中，谷歌等大型公司開發出了一些量子計算相關的新興技術。一般的看法是，可用的技術將在未來五六年中出現。量子計算的理論基礎在20年前就已經建立了，現在的問題是如何實現它。

NSR：量子計算已然成為熱點話題。它的基本原理是什麼？

姚期智：半導體電路小型化的快速發展使得傳統計算機的效能不斷提升。然而，這個小型化存在一個固有極限——當晶片上電路元件的尺寸縮小到奈米尺度時，量子力學效應將會佔據主導地位，並影響元件的效能。這將是摩爾定律的終點。

對於傳統計算機來說，這是不可避免的命運；但是科學家們已經開始考慮，能否把這種情況下有害的量子現象轉變為有益的——構建一個利用由薛定諤方程描述的量子力學邏輯進行計算的計算機，而不再是利用布林邏輯進行計算的傳統計算機。量子計算機這個理念是費曼在1981年首次提出的。他說，原則上，人們可以設計一種計算機，該計算機通過量子力學特性來工作，模擬量子系統並採用量子方程得到解。費曼的這個理念在學術領域引起了很大重視。

傳統計算機通過積體電路利用雙值布林邏輯（0和1）發揮功能。其計算是：把由位元表示的輸入點對映到更高層次，通過多重對映，得到輸出點以提供最終解。然而，量子計算機的量子位元可以表示1、0或者這兩個態的任意疊加。量子計算機系統的計算類似於固體的旋轉；在這個類比中，量子計算機的計算結果類似於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）。傳統計算機的一個操作，對應一個確定的路徑；量子計算機的一個操作，可以沿著多個計算路徑進行，而最終達到的是同一個目標，因為量子波函式允許在同一時刻存在多個態。這個現象就是量子並行性。量子平行計算是量子計算機的速度可以遠快於傳統計算機的關鍵原因。

NSR：就硬體設計而言，傳統計算機與量子計算機的主要區別是什麼？

姚期智：量子計算機是一個相對閉合的系統，其計算幾乎能夠做到瞬時完成。基本上，量子計算機表現得十分“羞怯”：一經檢視，計算就會被打斷並停止。此外，量子計算機是非常複雜的系統，其涉及到多重前沿性技術。例如，量子計算機的儲存單元、多個單元之間的通訊、量子位元態的調製等，都需要用到鐳射器。就量子計算機的材料與製造工藝而言，其不僅代表著過去三四十年中諸多先進技術的整合，還涉及到各學科間的緊密合作。

NSR：量子現象的不確定性會影響量子計算的精度嗎？

姚期智：會的，但是一個不確定的答案並不一定是錯誤的。事實上，有些量子計算總是能夠得出正確的答案。而且就實際計算而言，有一些誤差是可以被接受的，無需100%精確。

NSR：量子計算機的概念早在1980年代初期就已經出現，但在之後幾十年中似乎進展緩慢。

姚期智：的確如此。在費曼提出這一理念後，主要是物理學家在進行深入的理論探索。直到上世紀90年代初期，在物理學家基本上闡明瞭量子計算機的執行機制後，電腦科學家才開始進入這一領域——我本人也是其中之一。1994年，貝爾實驗室的Peter Shor設計了破解密碼的量子計算演算法，引發了計算學界的廣泛興趣，美國政府和美國宇航局開始投入這一領域。多個相互競爭、嘗試製造第一臺實際量子計算機的研究團隊也開始出現。

NSR：從那時開始，主要的進展有哪些？

姚期智：自那之後的主要工作是對實現量子計算機的方案進行探討和選擇。在過去十幾年裡，為製造量子計算機，科學家們嘗試了各種材料，例如離子阱、超導體和鑽石。最近，拓撲絕緣體也因其自身優異的可校正功能而成為備選之一。但是前面還有很長的路要走，主要困難之一是保持功能態的超低溫度。

NSR：您認為第一臺量子計算機將在何時出現？

姚期智：許多人預測第一臺量子計算機將在未來五六年中出現，但我認為，要製造出能夠在數千量子位元水平上進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上斥入巨資。特別是谷歌，它招募了該領域中最重要的專家John Marinis以及他在加州大學聖芭芭拉分校的整個團隊。

NSR：在您的倡議下，清華大學在2011年建立了量子資訊中心（CQI），這個中心的目標是什麼？

姚期智：我們的目標是打造量子資訊的世界級中心，併為該領域培養下一代科學家。因此，我們的當務之急就是招募高質量研究人員，例如我們招募到的美國密西根大學費米講席教授段路明。過去幾年裡，他在我們中心做出了優秀的工作。

NSR：採用鑽石系統的優勢是什麼？

姚期智：鑽石系統有兩個優點：其一，它可以在室溫下執行；其二，它具有固態晶體結構，如果系統能在幾個量子位水平表現良好，就有可能擴充套件到更大的尺度。除了鑽石系統，我們中心也在進行離子阱、超導體和光子網路的研究，而且正在做出很好的進展。

NSR：量子計算機效能卓越，它們是否將會替代傳統計算機？

姚期智：我認為傳統計算機和量子計算機將會共存，因為二者各具優勢。傳統計算機具有量子計算機尚不具備的準確性和成熟度。但相比於傳統計算機，量子計算機將在解決涉及量子力學效應的問題上具備優勢。例如，在材料設計、藥物研發和物理化學領域，量子計算機將會展現出優勢，而使用傳統計算機則很難解決這些問題。

NSR：量子計算機的硬體和軟體都與傳統計算機有很大不同。目前的主要挑戰是什麼？

姚期智：量子計算是一個典型的跨學科領域，需要相關領域的科學家與工程師密切合作，尤其是量子物理學家與電腦科學家之間的合作。演算法的突破將激發硬體的改進，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題，還解決了量子計算中的誤差修正問題。正是基於他的這一研究，物理學家們開始確信量子計算機的可行性。而當量子計算機發展到一定階段，將會需要電腦科學的變革。傳統計算機的資料儲存、運算系統和程式語言都需要被重新設計。目前尚不清楚這將怎樣完成，但這是一個重要的研究方向。許多IT行業的領軍公司早已構建了大量的專案來發展量子軟體。

量子計算方法和演算法的研究是一個具有巨大潛力的領域。過去數十年中已經出現了多個優雅的計算方法，理論上都很有吸引力。我希望看到更多與實際相契合的量子計算方法出現，諸如用於材料設計的方法。

NSR：量子計算機似乎需要科學和製造技術的共同發展？

姚期智：沒錯。我已經強調過，在中國，製造量子計算機的重要性遠遠超過只研究量子計算——因為這將帶動相關技術行業的發展。這種大工程將激發科學家和工程師的潛力，他們會為了求解特定問題而創造出新方法和新技術，這些方法和技術可以在工業發展、國家安全等諸多領域中作出有益於社會的貢獻。

在進行實際實驗時，還會有一些眼前的顧慮。例如，適合於量子計算機的鑽石材料依賴於國外進口。當競爭變得更加激烈，其他國家可能會拒絕將材料出售給我們。如果我們不自力更生髮展這些材料，未來將很容易受到限制。另外，在該領域工作，無法在短期內發表個人評價和職位晉升所需的文章。除非我們改變現有的評價體系，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於進口的材料和技術。

END

∑編輯 | Gemini

來源 | 科技日報

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