二十一世纪计算 | 姚期智:崛起中的量子计算

2018-12-20 | 作者:微软亚洲研究院

编者按:在“二十一世纪的计算”大会上,图灵奖得主、清华大学交叉信息研究院教授兼院长姚期智做了题为“崛起中的量子计算”的主旨演讲。他从量子计算的历史和概念入手,为我们解释了量子计算机强大的原因以及目前的研究进展。未来,“量子计算+AI”将是新的时代主题,二者的结合也将绽放出新的火花。


姚期智教授在“二十一世纪的计算”大会上的演讲视频

尽管量子计算已经被谈论了很多年,很多计算机科学家仍然觉得它是一个非常神秘的事情。但在未来计算机领域,量子计算将是最令人兴奋的发展之一。什么是量子计算?它为什么如此令人兴奋?它比传统计算机又强大在哪里?今天,我们一起来了解一下崛起中的量子计算。

图灵奖得主、清华大学交叉信息研究院教授兼院长姚期智

什么是量子计算?

当图灵和其他计算机探索者在研究计算机的时候,人们觉得自己已经知道计算的极限是什么了。但在1981年,物理学家理查德·费曼提出了一个问题“计算机能否有效地模拟量子物理系统?”

如果使用经典计算机来模拟,需要数百万年才能完成模拟。但是如果抛开传统的计算机原理,使用量子材料,或许可以创造出一种新的计算机,获得一种新的计算模式。这就是量子计算机。

有别于经典计算机使用二进制比特作为输入,量子计算机输入的是量子比特,可以表示经典的0、1状态,也可以表示更多的状态。量子设备是一种模拟设备。对于传统计算,输出的结果就是最后的数字,而在使用量子设备做计算的时候,需要对输出结果进行专门的测量,最后才能得到输出。

传统计算机和量子计算机的运行方式也不同。传统计算机中的主要计算方式是使用布尔运算操作普通比特,而量子计算机是在量子空间里对量子比特进行模拟操作,来模拟量子状态。

什么使得量子计算如此强大?

在量子世界里,由于量子比特的量子叠加态特性,量子计算机拥有了并行计算的能力。

那么量子计算到底有多强大呢?举个例子,如果我们对四百位整数进行因式分解,现在最快的超级计算机也需要六十万年,如果是做量子计算机,只需要几个小时,甚至有人说几分钟就可以做到。当然,量子计算机能做的不仅仅是整数的因式分解,我们希望能够做出大型的量子计算机,解决很多现在做不了的事情,比如密码破解,模拟量子物理系统,模拟材料学、化学和生物学,以及人工智能中的很多问题。

那么,量子计算机究竟是如何加速计算的?

这个问题可以通过介绍由Peter Shor发明的大数分解量子算法来解释。首先,我们需要回到物理学的一个分支-X射线晶体学,通过X射线来分析物体的结构。1913年,Braggs父子推导出了X射线的衍射现象的数学公式。假设有一个未知结构的晶体,你从各个角度对这个晶体拍摄了一些x射线照片,现在根据数学公式,你可以恢复出晶体的结构。这个方法是非常成功的,由此产生了许多诺贝尔奖。

我们是否可以借助于这一方法来分析一个整数N?利用算法构建一个“晶体”,然后利用人工光源,例如X射线,去照射它,得到“晶体”的衍射图,最后用得到的衍射图分析出整数N的“结构”。现在问题是这个“晶体”以及得到的“衍射图”体积非常巨大。事实上,我们其实并不需要整张图片,只需要几个样本点就够了,并不需要指数级的样本数。那么如何去进行采样?根据光子的波粒二象性,一个光子通过装置后的概率分布将与经典情形相同。因此,我们只需要模拟一个光子透过“晶体”产生的衍射图。与经典计算机相比,量子计算机可以以指数级的效率完成这个模拟过程,比传统的计算机快非常多倍。

量子计算最新研究进展

20年前,有一些物理学家可能会说量子计算机永远无法实现,而20年后的今年,量子计算机已经逐渐浮出水面。例如,关于使用什么东西做量子处理器的问题。20年前,大家说有20种方式做量子计算机,而现在人们已经发现只有几个选项是潜力比较大的,比如超导量子比特、离子比特、钻石量子比特、拓扑量子比特,它们很有可能成为未来做量子计算机的路径。

所有的技术方案都有自己的长处和不足。比如,金刚石量子计算机可以在室温下工作并且拥有固态的晶体结构,容易进行扩展;超导方案目前在可操作的量子比特数上方面是领先的,但是必须在低温环境下工作;拓扑方案有更好的纠错能力,但是目前进展比较缓慢。

目前,量子计算已经成为了一个主流研究方向,学界对这一领域的相关奖励机制也越来越健全,不久的将来我们能看到很多聪慧的科学家在这个领域钻研深耕。但是同时,量子计算的发展在每一个阶段都是非常困难的,想要增加量子比特数需要耗费大量的心血和时间。

为什么量子计算对未来如此重要?在过去的一个世纪,计算机硬件领域有很多的进展,而量子计算的出现使得计算机在非常基础的层面也可以有很多创新。不仅是硬件领域,AI也是量子计算关注的重点。现在的面部识别机器已经在某些方面超越了人类,量子计算虽然不能全面地和人类匹敌,但也可以在某些方面一较高下。

因为量子计算的出现,我们最终可以去预测未来。至少根据目前的理解,一旦拥有了量子计算机,人们就能掌握自然中最神秘的部分。可以将自然作为基准,看看我们和自然之间到底有多大的差距。

总而言之,量子计算机是一个革命式的产品,它和传统计算机完全不同,未来我们还会经历一个非常困难的时期。目前,量子计算在世界上多个国家都得到了关注,以微软为代表的众多科技公司也在相继开发研究,因为在未来,量子计算将产生巨大的影响,我们完全有理由说未来“量子计算+AI”将成为新的时代主题。这两大主题的交织下又将产生什么新的应用,让我们拭目以待!