中科院院士姚期智：我們已經(jīng)來到量子時代的最后一里路

11月5日，在第五屆騰訊WE大會上，中國科學院院士、量子計算泰斗姚期智教授發(fā)表了關于量子計算的最新演講。

在這次演講中，姚期智回答了兩個一般人最想問的關于量子計算機的問題：

量子計算為什么是一個革命性的計算原理？它和經(jīng)典的計算機到底不同在哪里？它為什么會這么快？

量子計算機什么時候會出現(xiàn)？

姚期智說，目前我們已經(jīng)進入了一個能看到量子計算機將要做出來的時間段——即最后一里路。這“最后一里路”，不僅過程非常艱難，而且耗時也會很長。

姚期智還指出，經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前科學家們已經(jīng)知道哪些材料是最適合做量子計算機的。雖然現(xiàn)在藍圖已有，但實踐過程依然存在很大挑戰(zhàn)。

讓姚期智和一眾科學家感到興奮的還在于，量子計算和人工智能可以結(jié)合在一起。在不久的將來，因為量子計算和AI的集合，人類將有可能戰(zhàn)勝大自然，從而在這個世界上創(chuàng)造更多的可能性。

這些可能性又會是什么？不妨讓我們靜靜期待。

以下是中科院院士姚期智教授的演講全文，對其進行了不改變原意的編譯：

大家好，今天非常榮幸能夠有機會來參加這個盛典，謝謝主辦人邀請我來這里和大家交流。

今天我想談的題目是關于量子計算，這個題目是量子計算時代的來臨。量子計算在學術(shù)的期刊上，在普通的報紙雜志上，現(xiàn)在是一個相當熱門的常常被談到的題目，那到底量子計算是什么？為什么量子計算比經(jīng)典的計算機能夠快那么多，仍然對大多數(shù)人來講，還很神秘。

所以我今天的演講來揭開這個面紗，我先給一個簡短的介紹，也是一個相當有深度的介紹。

20多年以前量子計算機被發(fā)現(xiàn)有一個非常奇怪的功能，大家知道RSA是一個現(xiàn)在常用的密碼系統(tǒng)，大家覺得這是一個高度的安全的密碼系統(tǒng)，但是這個密碼系統(tǒng)如果有了量子計算機以后，科學家證明它就變得不安全了，怎么一回事？

比如說我們想用一個RSA的密碼系統(tǒng)，用400位數(shù)的整數(shù)來做一個密鑰的話，用現(xiàn)在用最大的、最好的超級計算機，需要60萬年才能夠做出來。但是如果在將來有了一個量子計算機有相當?shù)膬Υ婀δ艿脑?，三個鐘頭就可以做出來。

我這里用的數(shù)字是科學家的最保守的估計，一般人都認為它能夠比三個鐘頭小的很多的時間就可以做出來。光是這樣你就可以看到量子計算機能夠破解現(xiàn)在沒有辦法破解的密碼，這個震驚了世界學術(shù)界。

在我的演講里面，我們想要回答兩個一般人最想問的問題：

第一，量子計算為什么是一個革命性的計算原理，它和經(jīng)典的計算機到底不同在哪里？它為什么會這么快？

第二，量子計算機什么時候會出現(xiàn)？

對于第二個問題，我們的了解是量子計算機現(xiàn)在基本上已經(jīng)是呼之欲出，可以稱為one the verge of realization。我們已經(jīng)進入一個能看到量子計算機將要做出來的時間段，我們可以把它叫做最后的一里路，但這會是一個非常艱難的，也是需要經(jīng)過一段時間的最后一里路。

所以說我在演講里面，我要給大家一個有深度的解答，關于這兩個問題。

第一，它到底是什么原理；

第二，它為什么是非常長的一里路。我們現(xiàn)在這些一般做量子計算機的科學家，他們現(xiàn)在的研究到底是哪一類的工作？

最后，量子計算機雖然它能夠做很多事情，我們想要把它放到更大的視野來看，量子計算在整個計算的框架，甚至在整個21世紀的科學里面，它有什么樣的位置？有沒有更高的價值？

我們要談這些事情。

我們現(xiàn)在先談量子計算機它為什么和傳統(tǒng)計算機完全不一樣。我們中國有一個很古的寓言，是說“楊子見歧路而哭之”，楊朱看到有一只羊走失了，他走到了分叉的地方，他不知道羊在哪一條路上，這個時候他就不能夠決定，覺得很悲傷，因為看起來唯一的方法，就是你必須先去走一條路，然后再走另外一條路。

這代表著我們在做計算機的一個計算問題的時候，我們想要找一個答案，常常要搜索好幾個不同的方向，來看到底哪一個方向才能夠給你一個答案。所以說傳統(tǒng)計算機就有這樣的一個問題。

在量子世界里面，這個問題能夠得到解決。

我們可以這樣想，在傳統(tǒng)的世界里面，楊子看到有歧路，我們腦筋里面出現(xiàn)的一個景象，最好的解決方法是什么呢？如果楊子是孫悟空的話，這個問題就解決了，因為我在頭上拔幾根毛，變出很多個小孫悟空，每個人都走不同的路。這樣的話，大家可以同時搜索，搜索的時間就短了，一個難的問題就變得容易了。

而在量子世界的時候，這些最微小的粒子本身就具有孫悟空一樣的能力。所以，這是一個非常神奇的事情，在這種最微小的量子世界里面，一個小孫悟空可以一下子變成兩個孫悟空，有一半的他走一條路，另外一半走另外一條路。

所以在量子世界里面，在這些最小的分子、原子之下，他們這些小孫悟空，如果我們在一種適合的情況下，他們真的能夠有一個非常好的配合，能夠讓他們所有的分身全部分開，大家一起合作。換句話說，這個就是達到了我們的平行計算，基本上等于有無限多個能夠運作的計算器給你用。

這里畫了一個圖，是它的一個方法，一個孫悟空可以變成兩個小孫悟空。

這種能夠分身的魔術(shù)，并不是在所有的計算問題里面，都能夠達到這個效果，不幸的是，量子物理世界在原理上還有其他結(jié)果。但是，有時候它可以做到。

我們現(xiàn)在看看，我們剛剛講的ISA密碼破解的時候，他用的原理是怎么一回事。

在經(jīng)典物理里面，它有一個和量子相似的情況，這個就是光，剛才你看到一個光，光有一個性質(zhì)，大家碰到一起的時候，能夠幫助消長。

一個非常經(jīng)典的光學實驗，你如果從一個光源，放出一個光，經(jīng)過一個屏幕，上面有很多的小洞，你在后面再放第二個屏幕，在第二個屏幕上，你就會看到，如果你看的精細的話，屏幕上的這個光，會有一個周期性的現(xiàn)象，有的時候亮，有時候暗，從亮到暗，可以看出有一個不同的變化。到底長的什么樣子，它是跟光學的原理判斷的。

重要的一點是，它這個變化怎么決定的，是由前面的波長、屏幕上的針孔之間的距離、參數(shù)所決定的。所以，你如果把這個問題反過來看，你如果看到結(jié)果以后，會告訴你原本的光源里面的性質(zhì)。

這個波的傳播，從計算機的角度來講，這個并不是太難做，是可以計算的。

在量子里面，如果說我們有一個密碼，我們想要破解，我們可以把它代表成為量子里面的量子態(tài)，那么，這個量子態(tài)如果你設計它的光學設計，設計得好的話，它就有一個很有意思的結(jié)果，它是說你如果去量一量后面的這個patten的話，它會告訴你這個密碼。

你如果真的光學實驗，唯一不幸的是光學實驗中間所需的Situp非常的大，需要有指數(shù)性的大小。這個時候有一個重要的事情，如果我們有了量子計算機，它可以指數(shù)性地把這個時間降下來。

這樣的話你在一個不太長的時間，你就能夠量出這些有意思的pattern，你把它反過去就可以查出來它本來的密碼，到底它里面的秘密是什么。這并不是隨便寫出來的，我們剛剛講的破解RSA，就是用這個原理。

當然做量子計算機，除了想破解密碼還有很多事情，它最重要的一個應用，如果我們有了量子計算機，我們就可以像現(xiàn)在能夠模仿古典的物理，用我們的計算機做各種事情。

如果有了量子計算機就可以解量子方程式，量子方程式它是最重要的一個方程式，如果你能解量子方程式的話，你可以解決很多物理上的問題、化學上的問題、生物上的問題，你能夠做很多的事情。

同時量子計算機和人工智能也有關系，這個等一下我們再談。實際上有很多地方，經(jīng)過這十幾、二十多年的努力，在實踐的建設量子計算機過程里面，現(xiàn)在取得了相當大的進步，我現(xiàn)在就把現(xiàn)在世界上做量子計算機所用的科學技術(shù)介紹一下，同時我介紹一下在我們清華大學量子信息中心所做的一些工作。

我們現(xiàn)在基本上經(jīng)過這20多年的努力，科學家已經(jīng)了解到什么樣的材料是最適合做量子計算機的，而且知道這個藍圖基本上是有了，但是它還是一個非常難的實踐過程。

現(xiàn)在大家已經(jīng)可以聽到，也許在以后的半年、一年有很多地方都會宣布，能夠有50個量子比特、100個量子比特的機器。這些當然令人興奮，這離實用還差的很遠，大家都還沒有考慮怎么糾錯，因為在量子計算機里面糾錯是一個非常難的問題，我們可以看到我們現(xiàn)在進到了最后一里路，但也是非常長的一里路。

我想告訴大家，在清華大學量子信息中心做什么事情?，F(xiàn)在有用超導做量子比特，也有用離子來做量子比特，甚至用鉆石做量子比特，它們都各有優(yōu)劣。比如說鉆石，我們大家都喜歡鉆石，但是它真正的好處是，它是一個固體，同時能夠在常溫工作，不需要用很多的冰箱來冰它，如果有一天要做一個鉆石量子計算機，像鉆石量子計算機又賞心悅目又有面子，你就可以放在你的桌子上。

另外還做一些拓撲的量子計算，對糾錯特別好的，我們在六年以前覺得這個時機已經(jīng)到了，理論都已經(jīng)成熟了，工作也都知道往哪個方向，所以我們成立一個量子計算機所，在這個中心里面，所有的科技我們都做。我們經(jīng)過這六年，已經(jīng)成為世界上相當知名的一個量子計算機中心。

我隨便講一些我們的工作，譬如說我們做出第一個能夠糾錯的量子計算機，雖然只是在一個很小的基礎上做。

另外還做一些事情，在量子計算機里面最重要的事情是要做記憶，做記憶兩個事情很重要，一是它需要有很多的存儲，我們最近的一個工作就是在原子上面能夠做出225個記憶體，這個比以前增加了10倍。

另外，我們還希望量子比特存儲得久，比如說0.01秒就消失了，我們最近做的一項工作，用的是離子的量子計算。離子很有意思，它是先把原子用電離的方式做成變成離子，然后用鐳射固定、冷卻，同時操縱它。

用這個，我們有一個新的觀念，能夠做出一個存儲很久的量子存儲。不只用一種離子，是用兩種不同的離子，就是一個離子來做存儲，另外一個離子幫它的忙，給它散熱，所以這個時間比以前增加很多倍。

最后，我講講量子計算在科學里面占什么樣的地位，我想和大家說，對我來講最興奮的將來，就是我們現(xiàn)在兩個最熱門的題目，量子計算和人工智能可以結(jié)合在一起。因為人工智能可以是人類想要了解自然界，怎么樣做出這么聰明的人，我們想要達到這個境界。

如果說，我們能夠把量子計算用到這個里面，我們可能比大自然更聰明，所以在量子計算和人工智能中間，我們也做了一些工作，我現(xiàn)在把所有的事情放在一張PPT上。

如果站在我們現(xiàn)在的視角，我們看到這個宇宙，宇宙給我們兩個很大的挑戰(zhàn)，第一個就是宇宙告訴我們，量子物理能夠做出一個很精妙的事情，如果沒有量子計算機我們就不能引領它。在軟件方面，我們?nèi)祟惸懿荒艿竭_大自然所做出來的，孕育出來的物種。

我們，如果能夠把量子計算機和AI放在一起，我們可能做出連大自然都沒有想到會有如此結(jié)果的事情。

謝謝大家！

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