段路明在清华大学做量子计算机科普讲演

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-05-10

量子计算机为什么计算速度快?又为什么那么难做?

  2017年5月,在中国科技界发生了很多大事:从吴文俊院士去世到颜宁从清华离职加盟普林斯顿,从民间科学家宣布“电荷不存在”引发闹剧到国产大飞机腾空而起……在这些大事件中,有一件事具有革命性的历史意义——5月3日,中国科学技术大学潘建伟院士在上海宣布:我国科研团队成功构建的光量子计算机,首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力,并在世界上首次成功实现十个超导量子比特纠缠。

  那么,到底什么是量子计算机呢?我们来听听名家怎么说。

  2017年5月9日晚,美国密歇根大学费米讲席教授、清华大学姚期智讲座教授、著名量子计算机专家段路明在清华大学做了题目《量子计算与人工智能》的科普讲座。讲座吸引了近千名大学生到场聆听。

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  段路明说:“量子计算的发展已经有很长了历史了,量子计算一开始的发展与爱因斯坦与玻尔的争论有关系。”

  在量子力学的初始之初,爱因斯坦与玻尔是量子理论的两个奠基人,但他们两位对量子力学的本质有一个漫长的争论。

  争论一开始涉及到量子力学的概率统计解释:在量子力学中,一个电子出现的位置是不确定的,就好像是上帝在掷骰子一样。

  在量子力学的概率统计解释这件事情上,爱因斯坦的名言是“上帝不掷骰子!”

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  而玻尔的名言是:“爱因斯坦,你别管上帝到底掷不掷骰子!”    

  这仅仅是争论的开始,随着争论的深入,爱因斯坦提出了著名的EPR悖论来痛击以概率幅为主要数学工具的量子力学,认为量子力学违反他的狭义相对论的基本思想:信息的传递速度是不能超过光速的。EPR悖论的本质是量子纠缠,后来被一个叫约翰.贝尔的物理学家构造了一个实验来进行检测,实验结果并不支持爱因斯坦的基本观点。

  从这段量子力学历史上著名的争论开始说起,段路明强调说:“量子力学中最主要的问题不仅仅是概率的问题,而是概率幅的问题。概率与概率幅有什么不一样呢?概率是一个实数,但概率幅是一个复数,所以后者会产生相干性。量子计算机为什么会有与经典计算机完全不一样的特性,就是因为这个量子相干性。”

  在量子力学中,概率幅相当于把概率开根号,或者倒过来说——概率是概率幅的模平方。

  正因为有了量子相干性,所以在多个粒子存在的情况下,会出现量子纠缠现象。

  量子计算机本质上是利用了量子相干性与量子纠缠的性质。

  段路明介绍说,量子计算机天生是并行计算的,量子计算机的计算能力与参与量子纠缠的量子比特(粒子)的个数n有指数增长的关系——这种“指数加速”是量子计算机的本质特性,所以量子计算机的计算能力较强。量子计算机超强的计算能力依靠的是很多个粒子进行量子纠缠。

  在5月3日中国科技大学发布的新闻中,中国科学家宣布实现了10个超导量子比特的量子纠缠,这10个量子比特的纠缠就已经是目前世界上最牛的水平了。

  因此,如果在未来能做到100个量子比特的纠缠,那么量子计算机的计算能力会有巨大的提高,具体提到的数量级不是100除以10等于10倍,而是2的100次方除以2的10次方等于2的90次方倍的提高。这就是“指数加速”。

  在未来社会,一旦有了这种计算能力超强的量子计算机,那么一般基于DH密钥交换系统或者RSA公钥密码体系的网络加密方案都可以被量子计算机破解。因此,一旦量子计算机问世,那么理论上地球上所有的网络密码系统都是不安全的,无论是电子邮件还是网上银行转账,都可以被量子计算机破解。

  功能如此强大的量子计算机为什么还没有做出来呢?其中一个原因就在于参与量子纠缠的量子比特数增加以后,整个系统就好像从一个村庄变成了一个城市,人口的增加导致问题增加,容易产生“量子退相干”,所以量子计算机目前还没有应用到老百姓的生活中。

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