中科院院士姚期智：我們已經(jīng)來(lái)到量子時(shí)代的最后一里路

11月5日，在第五屆騰訊WE大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、量子計(jì)算泰斗姚期智教授發(fā)表了關(guān)于量子計(jì)算的最新演講。

在這次演講中，姚期智回答了兩個(gè)一般人最想問(wèn)的關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)題：

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

量子計(jì)算機(jī)什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)？

姚期智說(shuō)，目前我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)能看到量子計(jì)算機(jī)將要做出來(lái)的時(shí)間段——即最后一里路。這“最后一里路”，不僅過(guò)程非常艱難，而且耗時(shí)也會(huì)很長(zhǎng)。

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

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

這些可能性又會(huì)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(duì)其進(jìn)行了不改變?cè)獾木幾g：

大家好，今天非常榮幸能夠有機(jī)會(huì)來(lái)參加這個(gè)盛典，謝謝主辦人邀請(qǐng)我來(lái)這里和大家交流。

今天我想談的題目是關(guān)于量子計(jì)算，這個(gè)題目是量子計(jì)算時(shí)代的來(lái)臨。量子計(jì)算在學(xué)術(shù)的期刊上，在普通的報(bào)紙雜志上，現(xiàn)在是一個(gè)相當(dāng)熱門(mén)的常常被談到的題目，那到底量子計(jì)算是什么？為什么量子計(jì)算比經(jīng)典的計(jì)算機(jī)能夠快那么多，仍然對(duì)大多數(shù)人來(lái)講，還很神秘。

所以我今天的演講來(lái)揭開(kāi)這個(gè)面紗，我先給一個(gè)簡(jiǎn)短的介紹，也是一個(gè)相當(dāng)有深度的介紹。

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

比如說(shuō)我們想用一個(gè)RSA的密碼系統(tǒng)，用400位數(shù)的整數(shù)來(lái)做一個(gè)密鑰的話，用現(xiàn)在用最大的、最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)，需要60萬(wàn)年才能夠做出來(lái)。但是如果在將來(lái)有了一個(gè)量子計(jì)算機(jī)有相當(dāng)?shù)膬?chǔ)存功能的話，三個(gè)鐘頭就可以做出來(lái)。

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

在我的演講里面，我們想要回答兩個(gè)一般人最想問(wèn)的問(wèn)題：

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

第二，量子計(jì)算機(jī)什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)？

對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，我們的了解是量子計(jì)算機(jī)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(jìn)入一個(gè)能看到量子計(jì)算機(jī)將要做出來(lái)的時(shí)間段，我們可以把它叫做最后的一里路，但這會(huì)是一個(gè)非常艱難的，也是需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的最后一里路。

所以說(shuō)我在演講里面，我要給大家一個(gè)有深度的解答，關(guān)于這兩個(gè)問(wèn)題。

第一，它到底是什么原理；

第二，它為什么是非常長(zhǎng)的一里路。我們現(xiàn)在這些一般做量子計(jì)算機(jī)的科學(xué)家，他們現(xiàn)在的研究到底是哪一類(lèi)的工作？

最后，量子計(jì)算機(jī)雖然它能夠做很多事情，我們想要把它放到更大的視野來(lái)看，量子計(jì)算在整個(gè)計(jì)算的框架，甚至在整個(gè)21世紀(jì)的科學(xué)里面，它有什么樣的位置？有沒(méi)有更高的價(jià)值？

我們要談這些事情。

我們現(xiàn)在先談量子計(jì)算機(jī)它為什么和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不一樣。我們中國(guó)有一個(gè)很古的寓言，是說(shuō)“楊子見(jiàn)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(gè)時(shí)候他就不能夠決定，覺(jué)得很悲傷，因?yàn)榭雌饋?lái)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?cè)谧鲇?jì)算機(jī)的一個(gè)計(jì)算問(wèn)題的時(shí)候，我們想要找一個(gè)答案，常常要搜索好幾個(gè)不同的方向，來(lái)看到底哪一個(gè)方向才能夠給你一個(gè)答案。所以說(shuō)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就有這樣的一個(gè)問(wèn)題。

在量子世界里面，這個(gè)問(wèn)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(gè)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(gè)問(wèn)題就解決了，因?yàn)槲以陬^上拔幾根毛，變出很多個(gè)小孫悟空，每個(gè)人都走不同的路。這樣的話，大家可以同時(shí)搜索，搜索的時(shí)間就短了，一個(gè)難的問(wèn)題就變得容易了。

而在量子世界的時(shí)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(gè)非常神奇的事情，在這種最微小的量子世界里面，一個(gè)小孫悟空可以一下子變成兩個(gè)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?cè)谝环N適合的情況下，他們真的能夠有一個(gè)非常好的配合，能夠讓他們所有的分身全部分開(kāi)，大家一起合作。換句話說(shuō)，這個(gè)就是達(dá)到了我們的平行計(jì)算，基本上等于有無(wú)限多個(gè)能夠運(yùn)作的計(jì)算器給你用。

這里畫(huà)了一個(gè)圖，是它的一個(gè)方法，一個(gè)孫悟空可以變成兩個(gè)小孫悟空。

這種能夠分身的魔術(shù)，并不是在所有的計(jì)算問(wèn)題里面，都能夠達(dá)到這個(gè)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(shí)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(shí)候，他用的原理是怎么一回事。

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

一個(gè)非常經(jīng)典的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，你如果從一個(gè)光源，放出一個(gè)光，經(jīng)過(guò)一個(gè)屏幕，上面有很多的小洞，你在后面再放第二個(gè)屏幕，在第二個(gè)屏幕上，你就會(huì)看到，如果你看的精細(xì)的話，屏幕上的這個(gè)光，會(huì)有一個(gè)周期性的現(xiàn)象，有的時(shí)候亮，有時(shí)候暗，從亮到暗，可以看出有一個(gè)不同的變化。到底長(zhǎng)的什么樣子，它是跟光學(xué)的原理判斷的。

重要的一點(diǎn)是，它這個(gè)變化怎么決定的，是由前面的波長(zhǎng)、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(gè)問(wèn)題反過(guò)來(lái)看，你如果看到結(jié)果以后，會(huì)告訴你原本的光源里面的性質(zhì)。

這個(gè)波的傳播，從計(jì)算機(jī)的角度來(lái)講，這個(gè)并不是太難做，是可以計(jì)算的。

在量子里面，如果說(shuō)我們有一個(gè)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(gè)量子態(tài)如果你設(shè)計(jì)它的光學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)得好的話，它就有一個(gè)很有意思的結(jié)果，它是說(shuō)你如果去量一量后面的這個(gè)patten的話，它會(huì)告訴你這個(gè)密碼。

你如果真的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，唯一不幸的是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中間所需的Situp非常的大，需要有指數(shù)性的大小。這個(gè)時(shí)候有一個(gè)重要的事情，如果我們有了量子計(jì)算機(jī)，它可以指數(shù)性地把這個(gè)時(shí)間降下來(lái)。

這樣的話你在一個(gè)不太長(zhǎng)的時(shí)間，你就能夠量出這些有意思的pattern，你把它反過(guò)去就可以查出來(lái)它本來(lái)的密碼，到底它里面的秘密是什么。這并不是隨便寫(xiě)出來(lái)的，我們剛剛講的破解RSA，就是用這個(gè)原理。

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

如果有了量子計(jì)算機(jī)就可以解量子方程式，量子方程式它是最重要的一個(gè)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(wèn)題、化學(xué)上的問(wèn)題、生物上的問(wèn)題，你能夠做很多的事情。

同時(shí)量子計(jì)算機(jī)和人工智能也有關(guān)系，這個(gè)等一下我們?cè)僬劇?shí)際上有很多地方，經(jīng)過(guò)這十幾、二十多年的努力，在實(shí)踐的建設(shè)量子計(jì)算機(jī)過(guò)程里面，現(xiàn)在取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，我現(xiàn)在就把現(xiàn)在世界上做量子計(jì)算機(jī)所用的科學(xué)技術(shù)介紹一下，同時(shí)我介紹一下在我們清華大學(xué)量子信息中心所做的一些工作。

我們現(xiàn)在基本上經(jīng)過(guò)這20多年的努力，科學(xué)家已經(jīng)了解到什么樣的材料是最適合做量子計(jì)算機(jī)的，而且知道這個(gè)藍(lán)圖基本上是有了，但是它還是一個(gè)非常難的實(shí)踐過(guò)程。

現(xiàn)在大家已經(jīng)可以聽(tīng)到，也許在以后的半年、一年有很多地方都會(huì)宣布，能夠有50個(gè)量子比特、100個(gè)量子比特的機(jī)器。這些當(dāng)然令人興奮，這離實(shí)用還差的很遠(yuǎn)，大家都還沒(méi)有考慮怎么糾錯(cuò)，因?yàn)樵诹孔佑?jì)算機(jī)里面糾錯(cuò)是一個(gè)非常難的問(wèn)題，我們可以看到我們現(xiàn)在進(jìn)到了最后一里路，但也是非常長(zhǎng)的一里路。

我想告訴大家，在清華大學(xué)量子信息中心做什么事情?，F(xiàn)在有用超導(dǎo)做量子比特，也有用離子來(lái)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(shuō)鉆石，我們大家都喜歡鉆石，但是它真正的好處是，它是一個(gè)固體，同時(shí)能夠在常溫工作，不需要用很多的冰箱來(lái)冰它，如果有一天要做一個(gè)鉆石量子計(jì)算機(jī)，像鉆石量子計(jì)算機(jī)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?fù)涞牧孔佑?jì)算，對(duì)糾錯(cuò)特別好的，我們?cè)诹暌郧坝X(jué)得這個(gè)時(shí)機(jī)已經(jīng)到了，理論都已經(jīng)成熟了，工作也都知道往哪個(gè)方向，所以我們成立一個(gè)量子計(jì)算機(jī)所，在這個(gè)中心里面，所有的科技我們都做。我們經(jīng)過(guò)這六年，已經(jīng)成為世界上相當(dāng)知名的一個(gè)量子計(jì)算機(jī)中心。

我隨便講一些我們的工作，譬如說(shuō)我們做出第一個(gè)能夠糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，雖然只是在一個(gè)很小的基礎(chǔ)上做。

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

另外，我們還希望量子比特存儲(chǔ)得久，比如說(shuō)0.01秒就消失了，我們最近做的一項(xiàng)工作，用的是離子的量子計(jì)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(shí)操縱它。

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

最后，我講講量子計(jì)算在科學(xué)里面占什么樣的地位，我想和大家說(shuō)，對(duì)我來(lái)講最興奮的將來(lái)，就是我們現(xiàn)在兩個(gè)最熱門(mén)的題目，量子計(jì)算和人工智能可以結(jié)合在一起。因?yàn)槿斯ぶ悄芸梢允侨祟?lèi)想要了解自然界，怎么樣做出這么聰明的人，我們想要達(dá)到這個(gè)境界。

如果說(shuō)，我們能夠把量子計(jì)算用到這個(gè)里面，我們可能比大自然更聰明，所以在量子計(jì)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(gè)宇宙，宇宙給我們兩個(gè)很大的挑戰(zhàn)，第一個(gè)就是宇宙告訴我們，量子物理能夠做出一個(gè)很精妙的事情，如果沒(méi)有量子計(jì)算機(jī)我們就不能引領(lǐng)它。在軟件方面，我們?nèi)祟?lèi)能不能到達(dá)大自然所做出來(lái)的，孕育出來(lái)的物種。

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

謝謝大家！

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