小比特，大躍進：從量子糾纏到量子計算

編譯 | 雨遇

校譯 | 馬子頌

主編按語

量子力學是一個極具革命性的理論，它甚至推廣了「存在」這一基本概念的含義。比如說考慮兩個比特，一種存在的形式是兩個比特都處於零態，記為00；另外一種存在的形式是兩個比特都處於一態，記為11。這兩種形式的存在都是經典形式，很容易得到理解。但我們的世界是一個量子世界，我們世界中的「存在」有更加奇怪的形式。像上面講的兩個比特，它們有一種奇怪的存在形式：兩個比特既不是00又不是11，但他們同時既是00又是11。這幾乎是不可想像的狀態。但兩個比特的這種奇怪狀態在我們的世界中的確存在。這種形式的存在，就是所謂的「量子糾纏態」。我們用00+11來標記這種糾纏態。如果我們只看一個比特，它可能是零0，也可能是1，完全不確定。但如果我們知道一個量子比特是0，那另外一個量子比特一定也是0；如果一個量子比特是1，那麼另外一個量子比特一定也是1。

在我們的宇宙中，這種新形式的存在——量子糾纏——賦予了我們強大的能力(幾乎像神一樣的能力)。我們可以利用量子糾纏來進行量子計算。如下文所提到的，理論上，量子計算的速度可以是經典計算的萬倍、億倍。還有些科學家認為，量子糾纏是一切物質的本源(見《【華人之光Ⅰ】文小剛（上）：物理學新的革命》)，甚至是時空的本源(見《愛因斯坦不會高興的：量子糾纏不但真的存在，還可能是時空的本源》)。

——文小剛

物理中的量子化在數學中也產生了革命性的影響。僅在過去的三十多年間，量子群、量子代數、量子上同調以及各種量子不變數在數學中層出不窮，由此產生了許多新的數學理論和數學學科。

——劉克峰

圖片來源：《經濟學人》

實驗室里幾十年暗無天日的等待終於換來了越來越多投資者的目光，量子計算機逐漸展露出它的市場價值。

經典計算機通常只能一步一步進行運算。它的基本運算單元稱為比特，一個比特代表一個二進位的0或1。當比特做加法或減法運算時又得到一個確定的結果0或1。計算機每時每刻都處在一個由0或1組成的狀態。為了提升運算能力，必須讓比特運轉得更快。比特既指計算的值，又指計算機進行存儲操作的元件，概念上稍微有些混淆。每個比特的運算速度取決於計算機處理器或存儲器的硬體性能。受物理規律的限制，運算速度會達到某個極限。在量子計算機里，量子比特所處的物理態並不像經典計算機那樣有確定的值，這為工程師們留下了創造的空間。通過某些量子效應，人們可以獲得一個不代表明確的0或1值的量子比特，量子比特可以突破經典計算機的限制。

世界上一批天才科學家和工程師們在這個領域已經奮鬥了幾十年。他們使用「量子疊加」和「量子糾纏」來實現量子比特。幾個量子糾纏在一起的量子比特構成了可以同時處於多個量子態的量子計算機雛形。這種量子計算機不通過增加運算速度來增強它的運算能力，這使它能突破經典計算機的限制，因而性能比任何經典計算機都強大。最近，谷歌、惠普、IBM和微軟都啟動了量子計算機商業化的攻堅項目，量子計算的商業化時代即將來臨。

量子比特這一術語是從比特延伸出來的。不同於比特，量子比特具有量子不確定性，意味著在被測量前，一個量子比特的值只可以用概率來描述，處於其可能的狀態0和1的疊加態，按某一概率量子比特處於其中兩個狀態之一，而概率可以隨時間變化，上升或下降。

量子糾纏產生於量子比特的疊加。對處於糾纏態的其中一個量子比特進行量子操控就可操控所有其他量子比特。量子疊加和量子糾纏這兩樣東西賦予了量子計算機計算的能力。

實現量子糾纏並非易事。人們需要設計一種裝置，在某一個給定的瞬間，可以使量子比特處在量子態所允許的所有可能的狀態。目前實驗室獲得的量子糾纏很容易被諸如熱運動引起的粒子振動、介質吸收、耗散等隨機行為破壞，所以量子計算機常常需要在接近絕對零度的環境下工作。

人們還需要尋找特殊的演算法來開發量子疊加和量子糾纏的計算能力。這些演算法可以把需要解決的問題進行分解，把每個量子比特的概率疊加得到概率最大的結果。由麻省理工學院Peter Shor發明的Shor演算法就是一個典型的例子。這個演算法證明量子計算機可以輕鬆完成任何非素數的因式分解。大數因式分解對經典計算機來說耗時巨大，幾乎是不可能完成的任務，因而現代密碼學的加密技術大多依賴於大數因式分解，很多安全專家擔心現代密碼學會因量子計算機的誕生而徹底崩壞。

目前看來，最有可能實現大數因式分解的量子計算可能是通過在原子水平上對原子狀態的精確模擬和量子操控。原子水平上的模擬操控已經被用於醫藥和化學工業。它大大加快了藥物的開發，改善了工業化學合成。比如哈伯合成氨法，又稱人工固氮或氨合成技術，通過高溫高壓下金屬催化劑與氫的化學反應把大氣中的氮轉化為氨，這項技術被廣泛用於肥料加工。更好的理解原子世界有助於開發淡水凈化技術以及海水吸付二氧化碳的綠色環保技術，遏制全球氣候變暖。原子操控也將幫助人們理解超導現象，發明可以在室溫下工作的超導體，使電子可以在無能耗的條件下傳輸。

但量子計算機並不是在任何方面都優於經典計算機的。在下載網頁和電腦遊戲圖形處理上，經典計算機可能表現更好。但在圖像語音識別以及實時語言翻譯方面，量子計算機會有優勢。順應大數據時代的量子計算機，能從龐雜的由感測器獲取的信息，比如病例信息和股市信息中提取有用的部分。未來的財富會流向那些搶灘量子計算的公司。

量子計算機最有可能通過哪種技術實現呢?這正是目前爭論的焦點，而核心問題就是量子比特如何實現。

一個量子比特需要包含一個具有兩個相對的量子態的物理系統。很多系統可以滿足該條件。例如，圍繞原子核旋轉的外層軌道電子的兩個自旋方向就可以是一對量子態。一些科學家建議使用鑽石晶格中的氮原子實現量子比特，另一些科學家認為在磁場中固定的鈣離子更有前途。還有將量子比特存儲在不同的偏振平面上的光子技術，又或者是在介質內振動的准粒子系統也可以形成量子比特，各種技術背後都有支持者。

當前的最佳選項是超導技術。超導量子比特分為三類: 電荷量子比特、相位量子比特和磁通量子比特。可以用超導材料中循環電流的方向實現量子比特，也可以通過定義電荷的有或無實現量子比特。谷歌和IBM都寄希望於這種技術。由超導材料製造的量子比特最大的好處就是可以被安置在現有的計算機的半導體晶元上。兩家公司均認為這一點對量子計算機的商業化至關重要。

另一些科學家認為利用光子技術實現量子比特也很容易商業化。這一領域的專家，英國布里斯託大學的Jeremy O』Brien教授指出，計算機行業正越來越多地使用光存儲產品，而非傳統的電子產品。惠普公司利用穿梭在數據中心之間的光信號進行信息編碼和傳輸，他們也可以利用這一優勢開發光量子比特為基礎的量子計算機。惠普公司曾經有過一個研究項目——在鑽石中的氮原子上實現量子比特，但由於這個項目在商業化道路上困難重重而最終被擱置了。現在，他們與Jeremy O』Brien及其他光量子比特領域的專家密切合作，尋找新的方向。

微軟支持的是另一個更加冒險的研究方案。這個項目的負責人是著名數學家、菲爾茨獎得主Michael Freedman。Michael Freedman試圖用拓撲學思想來解決量子比特這一難題。拓撲學是關於世界如何在空間和時間上摺疊的科學理論。Michael Freedman將採用只能在兩個維度上移動的anyons准粒子去製造量子比特。Michael Freedman認為超導方法會因無法較正誤碼而最終失敗。而拓撲學量子計算機，由於空間的摺疊，它的量子比特會被屏蔽起來，對誤碼具有天然的免疫力。但這一方案的困難在於目前實驗上還沒有發現任何一種可以用做anyons的粒子。

對於非anyons的量子比特能否進行誤碼校正是實現量子計算所面臨的一個關鍵挑戰。過早接近一個量子比特去檢測系統是否正常，將破壞系統的量子疊加，而疊加是量子計算的基礎。不過目前科學家們好像已經找到了克服這個困難的方法。今年3月，一位去年才加入Google的著名量子物理學家John Martinis，完成了一個包含九個量子比特的裝置，它的其中四個比特可以承受多次測量而不破壞其它五個比特，而且這個裝置也成功地檢測到了比特翻轉中出現的差錯。這個結果令人激動，因為糾錯能力是運算成功的保障。今年4月，IBM的研究小組也在四個量子比特中成功探測到了比特翻轉和相位翻轉中的誤差。這些實驗的成功激勵著科學家們繼續向前邁進。

加拿大的D-Wave 公司(D-Wave Systems, Inc)被視為第一家量子計算機公司。它推出了世界上第一台商用量子計算機。雖然D-WAVE公司推出的量子計算機應用範圍非常有限，但在圖像搜索方面確實具有優勢。谷歌對圖像搜索又非常感興趣，現在雙方正在合作進行項目開發。美國國家航空航天局也對D-Wave 公司即將推出的512量子比特的量子計算機表現出了濃厚興趣，並預定了一台。儘管谷歌研究總監Hartmut Neven拒絕透露過多進展，但他認為D-Wave公司採用的量子退火技術的確是一個解決最優化問題的方法，適用於少量量子比特的量子計算。而John Martinis和他的同事們將開發擁有更多量子比特的設備。

人們在猜測哪種技術將最終勝出的同時也為量子計算機的到來做好了充分的準備，比如討論如何應對Shor演算法對密碼學的破壞。

斯諾登透露，美國國家安全局的穿透堅硬目標計劃(the Penetrating Hard Targets programme)正在積極研究「是否以及如何建立一台可破解密碼的量子計算機」。今年5月，美國政府的情報研究機構(IARPA)開始招標尋求邏輯門量子比特研究領域的合作夥伴，目標是開發強勁的無誤碼的量子比特。今年4月，荷蘭埃因霍溫科技大學的Tanja Lange和Daniel Bernstein宣布了PQCRYPTO計劃，目的是在「後量子密碼」時代尋求合適的技術應對量子計算機對密碼術的挑戰並規範未來的產品標準。每個國家都擔心未來的量子計算機會使現代加密通訊技術完全破產。先下手為強才是王道。

應對量子計算機的加密方法是存在的，但目前它很笨重且非常耗能。PQCRYPTO計劃的目標就是要發明一種加密術，可以迴避量子計算機擅長的數學計算，同時保留計算方法的精簡和優雅。

無論你準備好了沒有，量子計算就要來了。像經典計算機一樣，起初笨重得只有專業人員才能操作。但也許很快就會有一台台式量子電腦或量子筆記本電腦翻過千難萬險來到你的書桌上了!

圖片來源：《經濟學人》

參考文獻

http://www.economist.com/news/science-and-technology/21654566-after-decades-languishing-laboratory-quantum-computers-are-attracting