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姚期智:量子计算的未来  

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06/12/2018 10:50 下午  

专访清华大学姚期智院士:量子计算的未来

2018年12月07日 10:22 新浪科技综合

  来源:科技日报

  近年来,量子计算和量子计算机在科学界和工业界都引起了大量关注。科学家们期望利用材料的量子性质,来打破传统计算机小型化的摩尔定律,进而建立起新型的量子计算机。量子计算这一概念是著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在1981年首先引入的。该领域的早期创始人之一,图灵奖获得者姚期智先生在1993年曾为量子计算理论基础的建立做出过核心贡献。2011年,姚期智创建清华大学量子信息中心(CQI),旨在将后者打造成为世界级的量子计算研究中心。在近期与《国家科学评论》(National Science Review, NSR)的一次对话中,姚期智细数了量子计算的历史,并表达了他对该领域未来发展的看法。他认为,量子计算机擅长的任务包括新材料设计、药物设计以及化学反应模拟等方面,但在传统计算机已经被证明高效的领域,是不太可能取而代之的。

  NSR:量子通信和量子计算受到媒体的广泛关注。二者是两个不同的概念吗?

  姚期智:量子通信和量子计算是两个相互关联,但是彼此独立的概念。量子计算所需的技术更为高级。驱动量子通信发展的主要目标是为保密通信建立密码学保障,在量子通信中,从一地到另一地的待传送信号不必是高度准确的。但量子计算却要求信号的高准确性。在过去十几年中,谷歌等大型公司开发出了一些量子计算相关的新兴技术。一般的看法是,可用的技术将在未来五六年中出现。量子计算的理论基础在20年前就已经建立了,现在的问题是如何实现它。

  NSR:量子计算已然成为热点话题。它的基本原理是什么?

  姚期智:半导体电路小型化的快速发展使得传统计算机的性能不断提升。然而,这个小型化存在一个固有极限——当芯片上电路元件的尺寸缩小到纳米尺度时,量子力学效应将会占据主导地位,并影响元件的性能。这将是摩尔定律的终点。

  对于传统计算机来说,这是不可避免的命运;但是科学家们已经开始考虑,能否把这种情况下有害的量子现象转变为有益的——构建一个利用由薛定谔方程描述的量子力学逻辑进行计算的计算机,而不再是利用布尔逻辑进行计算的传统计算机。量子计算机这个理念是费曼在1981年首次提出的。他说,原则上,人们可以设计一种计算机,该计算机通过量子力学特性来工作,模拟量子系统并采用量子方程得到解。费曼的这个理念在学术领域引起了很大重视。

  传统计算机通过集成电路利用双值布尔逻辑(0和1)发挥功能。其计算是:把由比特表示的输入点映射到更高层次,通过多重映射,得到输出点以提供最终解。然而,量子计算机的量子比特可以表示1、0或者这两个态的任意叠加。量子计算机系统的计算类似于固体的旋转;在这个类比中,量子计算机的计算结果类似于测量固体旋转所得到的读数(旋转角度可以是连续的任意角度)。传统计算机的一个操作,对应一个确定的路径;量子计算机的一个操作,可以沿着多个计算路径进行,而最终达到的是同一个目标,因为量子波函数允许在同一时刻存在多个态。这个现象就是量子并行性。量子并行计算是量子计算机的速度可以远快于传统计算机的关键原因。

  NSR:就硬件设计而言,传统计算机与量子计算机的主要区别是什么?

  姚期智:量子计算机是一个相对闭合的系统,其计算几乎能够做到瞬时完成。基本上,量子计算机表现得十分“羞怯”:一经查看,计算就会被打断并停止。此外,量子计算机是非常复杂的系统,其涉及到多重前沿性技术。例如,量子计算机的存储单元、多个单元之间的通信、量子比特态的调制等,都需要用到激光器。就量子计算机的材料与制造工艺而言,其不仅代表着过去三四十年中诸多先进技术的集成,还涉及到各学科间的紧密合作。

  NSR:量子现象的不确定性会影响量子计算的精度吗?

  姚期智:会的,但是一个不确定的答案并不一定是错误的。事实上,有些量子计算总是能够得出正确的答案。而且就实际计算而言,有一些误差是可以被接受的,无需100%精确。

  NSR:量子计算机的概念早在1980年代初期就已经出现,但在之后几十年中似乎进展缓慢。

  姚期智:的确如此。在费曼提出这一理念后,主要是物理学家在进行深入的理论探索。直到上世纪90年代初期,在物理学家基本上阐明了量子计算机的运行机制后,计算机科学家才开始进入这一领域——我本人也是其中之一。1994年,贝尔实验室的Peter Shor设计了破解密码的量子计算算法,引发了计算学界的广泛兴趣,美国政府和美国宇航局开始投入这一领域。多个相互竞争、尝试制造第一台实际量子计算机的研究团队也开始出现。

  NSR:从那时开始,主要的进展有哪些?

  姚期智:自那之后的主要工作是对实现量子计算机的方案进行探讨和选择。在过去十几年里,为制造量子计算机,科学家们尝试了各种材料,例如离子阱、超导体和钻石。最近,拓扑绝缘体也因其自身优异的可校正功能而成为备选之一。但是前面还有很长的路要走,主要困难之一是保持功能态的超低温度。

  NSR:您认为第一台量子计算机将在何时出现?

  姚期智:许多人预测第一台量子计算机将在未来五六年中出现,但我认为,要制造出能够在数千量子比特水平上进行可靠计算的量子计算机,绝非易事。谷歌和IBM等大公司都在量子计算机研发上斥入巨资。特别是谷歌,它招募了该领域中最重要的专家John Marinis以及他在加州大学圣芭芭拉分校的整个团队。

  NSR:在您的倡议下,清华大学在2011年建立了量子信息中心(CQI),这个中心的目标是什么?

  姚期智:我们的目标是打造量子信息的世界级中心,并为该领域培养下一代科学家。因此,我们的当务之急就是招募高质量研究人员,例如我们招募到的美国密西根大学费米讲席教授段路明。过去几年里,他在我们中心做出了优秀的工作。

  NSR:采用钻石系统的优势是什么?

  姚期智:钻石系统有两个优点:其一,它可以在室温下运行;其二,它具有固态晶体结构,如果系统能在几个量子位水平表现良好,就有可能扩展到更大的尺度。除了钻石系统,我们中心也在进行离子阱、超导体和光子网络的研究,而且正在做出很好的进展。

  NSR:量子计算机性能卓越,它们是否将会替代传统计算机?

  姚期智:我认为传统计算机和量子计算机将会共存,因为二者各具优势。传统计算机具有量子计算机尚不具备的准确性和成熟度。但相比于传统计算机,量子计算机将在解决涉及量子力学效应的问题上具备优势。例如,在材料设计、药物研发和物理化学领域,量子计算机将会展现出优势,而使用传统计算机则很难解决这些问题。

  NSR:量子计算机的硬件和软件都与传统计算机有很大不同。目前的主要挑战是什么?

  姚期智:量子计算是一个典型的跨学科领域,需要相关领域的科学家与工程师密切合作,尤其是量子物理学家与计算机科学家之间的合作。算法的突破将激发硬件的改进,反之亦然。例如,我在上文中所提到的Peter Shor教授,他不仅证明了量子计算可以解决密码破解的问题,还解决了量子计算中的误差修正问题。正是基于他的这一研究,物理学家们开始确信量子计算机的可行性。而当量子计算机发展到一定阶段,将会需要计算机科学的变革。传统计算机的数据存储、运算系统和编程语言都需要被重新设计。目前尚不清楚这将怎样完成,但这是一个重要的研究方向。许多IT行业的领军公司早已构建了大量的项目来发展量子软件。

  量子计算方法和算法的研究是一个具有巨大潜力的领域。过去数十年中已经出现了多个优雅的计算方法,理论上都很有吸引力。我希望看到更多与实际相契合的量子计算方法出现,诸如用于材料设计的方法。

  NSR:量子计算机似乎需要科学和制造技术的共同发展?

  姚期智:没错。我已经强调过,在中国,制造量子计算机的重要性远远超过只研究量子计算——因为这将带动相关技术行业的发展。这种大工程将激发科学家和工程师的潜力,他们会为了求解特定问题而创造出新方法和新技术,这些方法和技术可以在工业发展、国家安全等诸多领域中作出有益于社会的贡献。

  在进行实际实验时,还会有一些眼前的顾虑。例如,适合于量子计算机的钻石材料依赖于国外进口。当竞争变得更加激烈,其他国家可能会拒绝将材料出售给我们。如果我们不自力更生发展这些材料,未来将很容易受到限制。另外,在该领域工作,无法在短期内发表个人评价和职位晋升所需的文章。除非我们改变现有的评价体系,否则很难激励研究人员从事这种基础性研究工作。这些都导致了我们目前仍然依赖于进口的材料和技术。

  (蒲慕明:中国科学院神经科学研究所所长,NSR执行主编;王玲:NSR特约撰稿人)


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09/12/2018 9:51 下午  

量子计算技术靠研发.


量子计算机控制系统问世 “量子霸权”仍任重道远

量子计算机控制系统问世 “量子霸权”仍任重道远
新浪财经

  作者:钱童心

  日前,中国科学技术大学郭光灿院士团队宣布,基于对半导体及超导量子比特的长期研究,成功研制出一套精简、高效的量子计算机控制系统。这套被命名为本源量子测控一体机的系统,可以实现对量子芯片的操控并发挥其性能优势。

  尽管到目前为止,全球第一台能够实用的量子计算机离面世还很远,但作为当前国际学界的研究热点领域,量子计算机的控制系统是一大技术难点,不但成本昂贵,而且功能冗余、兼容性和集成度都较差。

  据郭光灿院士介绍,这套控制系统的基本功能是提供量子芯片运行所需的关键信号,并负责量子芯片传回信息的处理,执行对量子计算机程序的编译。它不仅能最大程度发挥量子芯片性能,还能应用于精密测量等更广泛的科研领域。

  我国预计2020年实现“量子霸权”

  相较于量子计算机的控制系统的重要性,目前更重要的目标是率先实现“量子霸权”。所谓“量子霸权”是指,当量子计算机发展到50个比特时,计算能力将超越全球最快的传统计算机,实现“称霸”。

  按照国家对量子信息科技在“十三五”期间的统筹安排和整体部署,科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目的必要性和可行性都已得到充分论证。中科院量子信息与量子科技创新研究院也初步统筹了全国高校、科研院所和企业的创新要素和优势资源,为量子信息科学国家实验室的建立奠定了坚实的基础。

  今年7月3日,我国首次实现了18个量子比特纠缠,中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控6个光子的偏振、路径和轨道角动量3个自由度,在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

  谁先夺取“量子霸权”,谁就掌握了技术制高点、标准制定权和舆论主导权,在产业竞争中占据有利地位。在信息时代,量子计算技术一旦突破,掌握这种能力的国家,会在经济、军事、科研、安全等领域迅速建立全方位优势。

  中科院量子信息与量子科技创新研究院副研究员张文卓向第一财经记者介绍道,量子计算机的研制目标分为三个阶段:第一个阶段就是“量子霸权”阶段,目前美国在“量子霸权”的争夺中暂时领先,我国预计在2020年左右实现“量子霸权”的科学目标,缩小与美国的差距;第二个阶段是实用化量子模拟机阶段,实现数百个量子比特相干操纵的专用型量子计算系统,应用于具有实用价值的组合优化、量子化学、机器学习等方面,指导新材料设计、药物开发等;第三个阶段是通用可编程的量子计算机阶段,能够相干操纵数亿量子比特,实现可容错的量子计算机,能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。

  “如果完成三个阶段,意味着人类实现了量子计算机的梦想,这将是人类实现第二次信息革命,全面进入量子信息时代的标志。”张文卓对第一财经记者表示。

  目前,全球都仍处于第一阶段的竞逐中。在美国,从谷歌IBM,在中国,从阿里巴巴腾讯,世界顶尖的科技公司都在竞相建造出第一台量子计算机。

  2017年11月和2018年3月,IBM和谷歌分别宣称实现了50个和72个量子位的原型机。然而两家公司都没有宣布实现“量子霸权”,也没有公开相关测试结果,这意味着在技术上离实际的“量子霸权”还有一定的距离。

  对此,张文卓向第一财经记者解释称:“这是因为量子芯片通过半导体工艺加工出来,量子位数目可以任意增加,但是仅有量子比特数目的增加是远远不够的,更重要的是对多量子比特的相干控制的能力。如果一个芯片对多量子比特的相干控制能力没有获得好的测试结果,那么这个芯片就没有科学或实用价值。”

  他还指出,目前经过严格同行评议并正式在国际学术期刊公开发表的最高质量测试结果是谷歌的9量子位超导芯片和我国的10量子位超导芯片。

  尽管在量子技术领域,我国与发达国家的差距并非难以弥合,不过发达国家拥有长期形成的强大半导体工业基础、人才资源储备、精密仪器设备制造能力和高效的科技成果转化链条,国际巨头企业的介入也提供了强大的研发资金保障。而我国在量子计算研究相关的公共技术积累较少,特别是超导微纳加工工艺方面,需要积蓄一段时间才能实现超越式发展。

  量子研究事关国家安全

  美国也在积极保持其量子领域的领先地位。去年10月,美国国会举办听证会,讨论如何确保“美国在量子技术领域的领先地位”。IBM宣布将投入30亿美元研发量子计算等下一代芯片,微软公司也与多所大学共建量子实验室。

  近日,美国又重申了应在量子领域持续加强投入。美国国家科学、工程和医学学院近日发布报告认为,尽管能够轻松破解当前主流加密算法的量子计算机未来10年内都不太可能出现,但美国若想在量子信息技术领域保持全球领先,还应在该领域继续投入。

  在这份名为《量子计算:进展与前景》的报告指出,鉴于量子计算当前的状态和仍需应对的巨大挑战,未来10年内“极不可能”出现能够威胁“公钥加密”的量子计算机,也很难预测何时会诞生实用型的量子计算机。不过,报告强调量子计算研究对国家安全影响显著,全球很多国家重视发展量子信息科技,美国若想保持领先优势,就应持续支持该领域发展。该报告有望推动美国“国家量子计划法案”的通过,该计划旨在加速量子计算研发,目前正待国会批准。

  量子设备可以破解用于保护数字信息的加密。正如一些科学家正在研究量子计算机一样,另一些科学家在研究量子安全技术。这种技术可以阻止这些未来机器的密码破译的能力。

  在瑞士日内瓦大学的量子实验室里,第一财经记者看到研究人员正在使用黄色的激光在量子中继的实验。量子中继能够让量子加密的距离得以延伸,虽然并不是量子加密的必要条件。目前量子加密只能在有限的距离内工作。日内瓦大学的研究团队最近还得出了一个新的发现,能够表明有1600万个原子被纠缠在了一立方厘米的水晶中。他们使用了一种新的研究方法,当光子穿过晶体的时候,会使原子在被重新发射前陷入纠缠。通过分析其统计特征和重新发射光子的概率,之后就可以确定1600 万个纠缠原子的数量。这种研究方法对于即将到来的量子革命有着里程碑式的意义。

  在大西洋彼岸的芝加哥,芝加哥大学可能是拥有全球最大的量子计算团队的大学。该校的一个量子研究机构同样正在探索量子中继器。芝加哥大学教授戴维·奥沙洛姆(David Awshalom)表示:“我们还没有做成,但我相信这将在未来几年发生。

  而中科大潘建伟院士的研究团队也在进行量子存储的实验,并获得了国际上综合性能最好的结果。量子存储是量子中继的核心部分。“实现量子中继的难度堪比量子计算机。”张文卓对第一财经记者表示,“量子中继不但可以让远距离量子加密变得更加安全,更重要的是,可以为未来的量子计算机建立量子网络。”据了解,中科大主要的量子存储实验室位于合肥。

  同样确定的是,中国在量子通信加密方面的领先优势也非常明显。美国橡树岭国家实验室前研究员、量子加密技术公司Qubitekk总裁兼CEO邓肯·厄尔(Duncon Earl)表示:“中国把量子研究作为与人工智能等其它尖端技术一样的战略,美国再等就晚了。”

  中国已经在量子加密传输数据网络上投入数千万美元资金,2016年8月发射的“墨子号”量子科学实验卫星使用量子加密技术,成功实现了北京和维也纳之间的视频通话,并且使用卫星将量子加密传输的距离扩大到创记录的4630英里,而传统的光纤线路的最大传输距离仅150英里。此外,京沪量子通信地面网络也已经投入使用,建设总长约为1200英里。

  欧洲知名量子技术专家、日内瓦大学教授、瑞士著名量子通信企业IDQuantique创始人尼古拉·吉森(Nicolas Gisin)对第一财经记者表示:“和中国所有的重大基础设施项目一样,中国的量子通信项目也得到了中国政府的大力支持。这是中国能够在短时间内迅速赶上并有望超过欧美国家的重要因素。”

  “京沪干线的开通运营是中国量子通信一次重大的升级。”潘建伟院士团队的陆朝阳教授表示。使用传统通信方式时,窃听者可以在光纤线路上的每个点拦截数据流进行窃听,不过量子加密技术让长达1200英里的京沪干线上的易受攻击点减少到了几十个。“这不是最终的解决方案,但就安全而言,已经是一个巨大的进步。”

  图灵奖获得者姚期智教授此前在接受第一财经记者采访时,对中国研制量子计算机的意义做出评价。他说道:“制造量子计算机的重要性远远超过只研究量子计算,因为这种大工程将会带动技术的进步,通过激发科学家和工程师的潜力,创造出新方法和新技术,从而在工业发展、国家安全等诸多领域中作出有益于社会的贡献。”


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