距离量子计算还有最后一公里

2017-12-07 21:50姚期智
中国信息化周报 2017年44期
关键词:孙悟空比特密码

姚期智

现在,量子计算在学术期刊上,在普通报纸杂志上,都是一个相当热门,并且常常被谈到的题目,那到底量子计算是什么?为什么量子计算比经典的计算机能够快那么多,这些对大多数人来讲,仍然还很神秘。

量子计算会让世界变成什么样

我今天的演讲就是要来揭开这个面纱,我先来一个简短的介绍,也是一个相当有深度的介绍。

20多年以前量子计算机被发现有一个非常奇怪的功能,大家知道RSA是一个现在常用的密码系统,大家觉得这是一个高度安全的密码系统,但是当有了量子计算机以后,科学家证明它就变得不安全了,这是怎么一回事呢?

比如说我们想用一个RSA的密码系统,用400位数的整数来做一个密钥的话,用现在最大的、最好的超级计算机,需要60万年才能够做出来。但是如果在将来有了相当存储功能的量子计算机之后,三个小时就可以做出来。

我这里用的数字是科学家们最保守的估计,一般人都认为它能够比三个小时少很多的时间就可以做出来。这样你就可以看到量子计算机能够破解现在没有办法破解的密码,这个震惊了世界学术界。

这里,我们想要回答两个一般人最想问的问题:

第一,量子计算为什么是一个革命性的计算原理,它和经典的计算机到底不同在哪里?它为什么会这么快?第二,量子计算机什么时候会出现?

对于第二个问题,我们的了解是量子计算机现在基本上已经是呼之欲出。我们已经进入一个能看到量子计算机将要出现的时间段,我们可以把它叫做最后的一公里,但这会是一个非常艰难的,也是需要经过一段时间要走的最后一公里。

虽然量子计算机能够做很多事情,但当把它放到更大的视野来看,量子计算在整个计算的框架,甚至在整个21世纪的科学里面,它有什么样的位置?有没有更高的价值呢?

我们现在先谈量子计算机为什么和传统计算机完全不一样。我们中国有一个很古老的寓言,是说“杨子见歧路而哭之”,就是讲杨朱看到有一只羊走失了,他走到了分叉的地方,他不知道羊在哪条路上,这个时候他就不能够决定,觉得很悲伤,因为看起来唯一的方法,就是你必须先去走一条路,然后再走另外一条路。

这代表着我们在遇到一个计算问题的时候,想要找一个答案,常常要搜索好几个不同的方向,来看到底哪一个方向才能够给你一个答案。所以说传统计算机就有这样的一个问题。

在量子世界里面,这个问题能够得到解决。

我们可以这样想,在传统的世界里面,杨子看到有歧路,我们脑筋里面出现的一个景象,最好的解决方法是什么呢?如果杨子是孙悟空的话,这个问题就解决了,因为我在头上拔几根毛,变出很多个小孙悟空,每个人都走不同的路。这样的话,大家可以同时搜索,搜索的时间就短了,一个难的问题就变得容易了。

而在量子世界,这些最微小的粒子本身就具有孙悟空一样的能力。所以,这是一个非常神奇的事情,在這种最微小的量子世界里面,一个小孙悟空可以一下子变成两个孙悟空,有一半的他走一条路,另外一半走另外一条路。

所以在量子世界里面,在这些最小的分子、原子之下,他们这些小孙悟空,如果我们在一种适合的情况下,他们真的能够有一个非常好的配合,能够让他们所有的分身全部分开,大家一起合作。换句话说,这个就是达到了我们的平行计算,基本上等于有无限多个能够运行的计算器让你用。

这种能够分身的魔术,并不是在所有的计算问题里面都能够达到这个效果,不幸的是,量子物理世界在原理上还有其他结果。不过,有时候它可以做到。

我们现在看看,我们刚刚讲的RSA密码破解的时候,他用的原理是怎么一回事。

在经典物理里面,它有一个和量子相似的情况,这个就是光,光有一个性质,大家碰到一起的时候,能够帮助消长。一个非常经典的光学实验,你如果从一个光源,放出一个光,经过一个屏幕,上面有很多的小洞,你在后面再放第二个屏幕,在第二个屏幕上,你就会看到。如果你看得精细的话,屏幕上的这个光,会有一个周期性的现象,有时候亮,有时候暗,从亮到暗,可以看出有一个不同的变化。到底长什么样子,是根据光学的原理判断的。

重要的一点是,它这个变化怎么决定的,是由前面的波长、屏幕上的针孔之间的距离、参数所决定的。所以,你如果把这个问题反过来看,你如果看到结果以后,会告诉你原本的光源里面的性质。这个波的传播,从计算机的角度来讲,这个并不是太难做,是可以计算的。

在量子里面,如果说我们想要破解一个密码,我们可以让它代表量子里面的量子态,那么,如果这个量子态光学设计设计得好,它就有一个很有意思的结果,就是说你如果去量一量,它会告诉你这个密码。

你如果做光学实验,唯一不幸的是光学实验中所需的时间非常的大,需要有指数性的大小。这个时候有一个重要的事情,如果我们有了量子计算机,它可以指数性地把这个时间降下来。

当然做量子计算机,除了能够破解密码,还有很多事情可以应用。如果我们有了量子计算机,我们就可以像现在能够模仿古典的物理,用我们的计算机做各种事情。

如果有了量子计算机就可以解量子方程式,量子方程式是最重要的一个方程式,如果你能解量子方程式,你就可以解决很多物理上的问题、化学上的问题、生物上的问题,你能够做很多的事情。

持续推进对量子计算的研究

经过这20多年的努力,科学家已经了解到什么样的材料是最适合做量子计算机,而且已经基本知道了这个技术蓝图,但是它还是一个非常难的实践过程。

现在大家已经可以听到,也许在以后的半年或一年,会有很多地方都会宣布,能够有50个量子比特、100个量子比特的机器。

这些当然令人兴奋,但这离实用还差得很远,大家都还没有考虑怎么纠错,因为在量子计算机里面纠错是一个非常难的问题,我们可以看到我们现在走到了最后一公里,但也是非常长的一段路程。

我想告诉大家,现在清华大学量子信息中心在做什么事情。现在有用超导做量子比特,也有用离子来做量子比特,甚至用钻石做量子比特,它们都各有优劣。

另外还做一些拓扑的量子计算,对纠错特别好,我们在六年以前觉得这个时机已经到了,理论都已经成熟了,工作也都知道往哪个方向开展,所以我们成立了一个量子计算机所,在这个中心里面,所有的科技我们都做。经过这六年,我们已经成为世界上知名的一个量子计算机中心。

另外还做一些事情,就是在量子计算机里面最重要的事情是要做记忆,做记忆两个事情很重要,一是它需要有很多的存储,我们最近的一个工作就是在原子上面能够做出225个记忆体,这个比以前增加了10倍。

另外,我们还希望量子比特存储得久。我们最近做的一项工作,用的是离子的量子计算。它是先把原子用电离的方式变成离子,然后用镭射固定、冷却,同时操纵它。

在这方面,我们有一个新观念,就是能够做出一个存储很久的量子存储。不只用一种离子,是用两种不同的离子,其中一个离子来做存储,另外一个离子帮它的忙,给它散热。endprint

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