量子计算的魅力

□张文卓   2016-05-08 05:02:32


2015国家自然科学奖一等奖花落中科大潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”。该研究将利用量子力学原理对信息的计算、存储、传输和逻辑操作提供一种全新方式

□张文卓

2015年度国家自然科学一等奖

2016年1月8日,潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授组成的5人团队获得了2015年度国家自然科学一等奖,并在人民大会堂接受颁奖。5位老师均来自中国科学技术大学,他们是该奖项历史上最年轻的获奖团队,其中潘建伟、彭承志、陈增兵3位老师为70后,而陈宇翱和陆朝阳两位老师为80后。

国家自然科学一等奖是中国自然科学领域的最高奖项,很多耳熟能详的老一辈科学家都名列其中。但是因2014年获奖的“透明计算”存在较大争议,2015年急需一个众望所归的团队来重新树立该奖项的声誉。恰好2015年初潘院士团队作为最大热门参加了该奖项的评选,并最终毫无悬念地获奖。

这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠,这是利用光子做量子比特传送和量子计算的必要前提;而“干涉”就是实验上实现多光子纠缠的手段。潘建伟院士团队在量子通信和量子计算等多个方向上都取得了世界领先的科研成果,“多光子纠缠和干涉度量学”就作为其核心研究内容之一,贯穿始终。

潘建伟院士的团队是世界上量子信息研究的领军者之一,在量子通信领域更是世界最强。与以往的历届国家自然科学一等奖相比,潘建伟团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃。截止到2015年,该团队成果3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”,2次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”。2015年年末更是被物理世界网站(Physics world)评选为“2015年世界物理学十大进展”第一名,这在中国物理学界史无前例。

量子纠缠

介绍“多光子纠缠和干涉度量学”,首先需要介绍一下什么是量子纠缠。量子力学中最神秘的就是叠加态,而量子纠缠就是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例,一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态,同时另一个粒子B也可以处于叠加态,当两个粒子发生纠缠,就会形成一个双粒子的叠加态,即纠缠态:无论两个粒子相隔多远,只要没有外界干扰,当A粒子处于0态时,B粒子一定处于1态;反之,当A粒子处于1态时,B粒子一定处于0态。

随着量子信息学的诞生,量子纠缠已经不仅仅是一个基础研究,它已经成为量子信息科技的核心:例如,利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态,可以完成一次性操作多个量子比特的量子计算。让更多的粒子纠缠起来是量子信息科技不断追寻的目标。

多光子纠缠和干涉度量学

“多光子纠缠和干涉度量学”就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。如果这种把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加,扩展到更多的光子,就可以形成更多光子的纠缠。针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求,纠缠的光子数自然是越多越好。但是随着产生纠缠的光子数越多,干涉和测量的系统也就越复杂,实验难度也就越大。

潘建伟团队从2004年开始,通过在国际上原创的多光子干涉和测量技术,一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004年在世界上第一个实现了5光子纠缠,2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠,2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠,并且保持该纪录至今。

每增加一个纠缠光子,光学干涉系统就要复杂一倍,纠缠产生的难度会随着光子数呈指数上升。这个8光子纠缠光路就像“潘神的迷宫”一样复杂,精巧,困难重重,但又引人入胜。

量子计算的应用

1. 量子叠加态的计算魅力。在经典物理学中,物质在确定的时刻仅有确定的一个状态。量子力学则不同,物质会同时处于不同的量子态上。因为处于叠加态,这就意味着,量子计算一次运算就可以处理210=1024个数(从0到1023被同时处理一遍)。以此类推,量子计算的速度与量子比特数是2的指数增长关系。一个64位的量子计算机一次运算就可以同时处理264=18446744073709551616个数。如果单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别(1GHz),那么这个64位量子计算机的数据处理速度将是世界上最快的“天河二号”超级计算机(每秒33.86千万亿次)的545万亿倍。

量子力学叠加态赋予了量子计算机真正意义上的“并行计算”,而不像经典计算机一样只能并列更多的CPU来并行。因此在大数据处理技术需求强烈的今天,量子计算机越来越获得互联网巨头们的重视。

2. 肖尔算法——RSA加密技术的终结者。1985年,牛津大学的物理学家戴维·德意志提出了量子图灵机模型的概念。随后贝尔实验室的彼得·肖尔于1995年提出了量子计算的第一个解决具体问题的思路,即肖尔因子分解算法。

我们今天在互联网上输入的各种密码,都会用到RSA算法加密。这种技术用一个很大的数的两个质数因子生成密钥,给密码加密,从而安全地传输密码。由于这个数很大,用目前经典计算机的速度算出它的质数因子几乎是不可能的任务。但利用量子计算的并行性,肖尔算法可以在很短的时间内通过遍历算法来获得质数因子,从而破解掉密钥,使RSA加密技术不堪一击。

量子计算机会终结任何依靠计算复杂度的加密技术,但这不意味着从此我们会失去信息安全的保护。量子计算的孪生兄弟——量子通信,会从根本上解决信息传输的安全隐患。

3. 格罗弗算法——未来的搜索引擎。肖尔算法提出一年后的1996年,同在贝尔实验室的洛夫·格罗弗提出了格罗弗算法,即通过量子计算的并行能力,同时给整个数据库做变换,用最快的步骤显示出需要的数据。

量子计算的格罗弗搜索算法远远超出了经典计算机的数据搜索速度,这也是互联网巨头们对量子计算最大的关注点之一。量子信息时代的搜索引擎将植根于格罗弗算法,让我们更快捷地获取信息。

4. 量子计算机与人工智能。英国物理学家罗杰·彭罗斯把依靠经典计算机的人工智能称为“皇帝新脑”(即像皇帝的新衣一样)。他认为人脑不会像经典计算机那样以确定的方式处理信息,但量子测量会赋予人脑随机性,同时量子叠加态还会赋予人脑全局观(一个一个像素处理的经典计算做不到全局观)。因此彭罗斯等人认为,人脑可能是一台量子计算机。也许量子计算机的研究能在某个量子和经典的交汇点上给出答案,解答人类意识和智慧的起源。那样,量子计算机就会成为实现真正的人工智能的关键。

5. 获奖团队的量子通信和量子计算应用。尽管“多光子纠缠和干涉度量学”获得了国家自然科学一等奖,但这仅仅是潘建伟院士团队的一部分工作。2016年,该团队承担研制的世界首颗“量子科学实验卫星”将发射升空,实现世界首个星地间的量子保密通信和量子比特传送。同时,该团队主导建设的世界首个量子保密通信主干网络“京沪干线”也即将建成,推动量子保密通信进入军事、银行、互联网数据中心等各个行业之中。

在量子计算领域,该团队不久前和阿里巴巴合作成立了“中科院—阿里巴巴量子计算联合实验室”,在保持光量子计算世界领先地位的同时,将大力推动我国量子计算整体研究水平。同时,在进行量子计算研究过程中发展起来的量子调控技术,还可用以实现高精度的精密测量手段,将应用于自主导航、医学检验、物理学基本常数测定、引力波探测等领域。我们有理由期待潘建伟院士的团队在未来带给这个世界更多惊喜。

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