丁洪介紹說, 量子演算法保證量子計算的並行性優勢可以充分發揮, 並大大提高量子計算所需結果的出現機率.
實現量子計算的途徑是物理硬體, 超導的相對優勢是可擴展性好, 相干性時間較長; 拓撲量子計算的優勢是理論相干時間長, 錯誤率低. 但拓撲量子計算的劣勢是實驗處於起步階段.
提到量子計算的應用, 丁洪表示量子計算可以提升機器學習及人工智慧, 精準預測天氣, 加速太空探索以及解決交通堵塞問題. (譚宵寒)
以下為演講全文:
丁洪: 非常高興能夠來到未來論壇年會, 做一個關於量子計算的報告, 事實上, 我做量子計算是剛剛入門, 我以前都做得比較多的是做超導, 近幾年來做了很多拓撲, 現在想把拓撲和超導結合起來就是拓撲超導體, 拓撲超導體又可以用在量子計算機上面, 所以現在我現在開始做量子計算, 我的題目叫做量子計算, 下一次工業革命的引擎.
我是來自中科院物理所的. 我們都知道, 在以前有過幾次工業革命, 準確的說是有過三次, 第一次是以蒸汽機為主要動力的工廠生產時代, 第二次是電機和內燃機的產生, 人類進入了生產力大幅度提高的電氣時代. 第三次就是我們非常熟悉的資訊時代, 以計算機為主的一個第三次工業革命, 現在又進一步進化, 進化以互聯網, 大數據和人工智慧開始的第四次工業革命即將來襲, 從第三次和第四次來看, 計算機都起著一個主導作用, 但是今年計算機發展, 現在即將遇到一個瓶頸問題, 我們所熟知的摩爾定律, 就是說每隔十八個月, 整合電路上可容納的元器件數目增加一倍, 計算性能增加一倍, 這使計算機上面的元器件的尺寸越來越小, 現在已經進入納米時代, 已經是到了小於十個納米的時代. 這樣就帶來了兩個問題, 第一個問題是經典計算機是不可避免熱能耗問題, 我一會兒會仔細的講一下所謂的浪德爾機械, 第二個是隨著元器件見效有量子效應, 電子在小尺度上面會發生量子雖穿現象, 這樣的話一個經典比特會導致摩爾定律的最終失效, 這個時候有人提出量子計算機, 為什麼要做量子計算機, 因為在經典計算機有一個不可逆的, 就是不可避免的熱損耗, 比如說做這個運算中0和1相乘答案是0, 0和0相乘, 也是0, 倒過來說我知道這個背後的結果0是各種相乘, 1和0還是0和0, 這是不可逆的, 浪德爾原理就說如果有這個比特資訊的丟失的話, 是不可逆的過程的話, 資訊的丟失, 必然有一部分會以熱量的形式來散發掉, 這樣的話有一個熱的極限問題, 但是量子計算機從原理上是完全可逆的, 就可以超越這個浪德爾熱極限.
另外, 對於量子世界來說, 是一個非常複雜的, 實際上在80年代著名的物理學家諾貝爾獲得者就提出追尋量子計演算法則的計算器是類比量子世界的最好的方法, 這也是量子計算機的最初概念的世界, 我們看看什麼是量子誰, 所謂量子就是大家比較熟悉的光子, 電子, 原子構成物質的基本單元, 也是能量的基本攜帶者, 量子世界有兩大獨特的風景, 一大是叫做量子疊加, 這裡舉了一個比較通俗的例子, 就是說薛定諤, 生和死這樣認為是確定的, 量子裡面如果有 (量子貓 音) 的話, 就是說生和死會有混合態, 就是說生死不明. 第二個是量子糾纏, 什麼意思呢? 兩個量子糾纏的, 這糾纏態的相互關係, 一個是自懸向上, 一個自懸向下, 這個薛定諤貓的粒子, 這個貓糾纏起來一個是死的, 另外一個貓變是活的. 變成組成糾纏隊的量子太來說是疊加的, 是不定的, 既可以是生, 也可以是死, 你一旦發現其中是一個活的貓, 另外一個貓是死的貓, 這個可以分得無窮遠, 非常遠. 似乎量子糾纏非常難以想象. 有些人說這是可以用量子從動的概念去理解實際上認為空間很遠, 但是他們有一個辦法通過一個從動, 實際上非常近.
對於經典比特來說, 零和一是確定的一組比特, 一組比特可以表示一種狀態, 我們做計算的時候, 無論是計算器, 講88.8的輸入和輸出, 都是確定的. 計算機也是這樣, 輸入一個確定的數, 輸出一個確定的數, 但是對於量子比特來說, 他確實帶有不確定性, 除開有0和1, 比如說這裡向上指的這個自學和向下是可以表示0和1, 還有一個是說他可以在這個指向方向, 在球的任意一個方向, 這個任意方向都可以投影出來, 就是0和1的線性組合, 這個是可以同時把0和1, 因為任意方向是有方向是0態, 有一部分是1態, 0和1態同時又, 這樣的話就導致了量子計算機的指數增長, 這裡面做一個比喻是說印度的國際象棋在一個棋字上放一個小板, 另外一個放兩顆, 四顆, 八顆, 這樣把六十四顆都放完的話, 是多少木? 1844億粒麥子, 是非常驚人的, 量子比特有同樣的功能, 一個量子比特儲存兩個資訊數目, 兩個儲存四個, 四個儲存八個, 十六, 然後六十個的時候也是非常驚人的數目, 別人把這個50比特, 就是因為它可以達到一百萬億次經典計算, 如果你能夠充分利用這個量子比特來同時的進行你對五十個量子比特操作的話, 原則上可以進行一百萬億次經典運算, 所以這裡就有非常大的優勢, 量子演算法也就保證了量子計算的平行優勢可以充分的發揮, 並且能夠大大提高量子計算所需的結果出現機率, 這裡也簡單講一下兩個量子演算法, 一個叫做無序資料庫搜索, 一個是大數分揀, 分別在1996年和1994年提出的, 這個說起來是對資料庫進行搜尋, 經典的話, 我們如果要找一個無序的排布的電話號碼, 一二三四五, 比如說放一二都不是, 放第三, 說是, 然後找到, 這樣搜尋下去的話, 平均找五十次, 量子搜索的話, 一二三四都放進去的話, 出來的話會有NO, NO, YES, 當然還會做疊代, 會證明出來是一個N的, 一百個人十次就可以搜尋起來. 這裡就是曲線來表示, 德國, 這個有什麼用, 可以作為地圖導航提高效率, 如果地圖導航的話有N條路的話, 走的路徑是可能性的, 那就是N的階乘, 或者是說2的N次方, 如果用這種搜尋的話, 就比較快. 因為很多, 就可以開根號來算. 第二個是提高了大數據的搜尋速度. 這個演算法主要是用於因式分解, 大家都知道因式分解, 比如說這裡舉一個例子, 57分解成3×19, 對於綠色的, 這麼大的一個數字, 因式分解確實非常難, 做乘法很容易, 但是把做出來的乘積進行因式分解非常困難, 分成兩個數組非常難, 甚至超級計算機都不可能做出來, 但是對於提出的量子的分解, 就能夠, 我有量子計算機, 我很快把這個大數分解成兩個數, 這個分解速度就是紅線, 跟這個藍線比, 你看藍線是一個指數形式, 上面都是10的35次方, 紅線停留的還是非常緩慢的, 那麼你們問這個因式分解有什麼用, 因式分解有非常大的用途, 這裡有一個RSA加密, 最主要的是利用了因式分解, 有公鑰和密鑰, 公鑰是兩個密鑰的指數相乘, 給你公鑰, 你是分解不出來的這兩個密鑰, 我告訴你密鑰才行. 所以對於這樣計算機來說, 是非常難的, 比如說研究比較通用的1024, 在2006年用經典計算機去破, 是一萬年, 現在是比較短的, 38年, 24就可以破譯, 現在說最好不用這個, 因為已經有人破譯, 以後再發展可以到天數, 對於量子計算, 對於量子計算機來說, 就要十分鐘就能夠破譯, 因為你說我把這個數字再提高, 提高到一千, 兩千, 四千, 對於經典計算機的增加, 到了超過宇宙年齡. 這是幾乎不可能, 但是你看對於量子計算機, 並不需要再發展它的速度, 都是從分數到小時. 這樣的話, 破譯RSA的密碼就是非常容易, 就是使這個不對稱的因式分解對稱華, 使RSA的密鑰等同於公鑰, 這是一個重要的作用.
量子計算機利用的是量子相干現象, 你利用是退相干, 這個貓是死的還是活的, 你一看就來確定, 這個確定下來, 經典的不是這樣, 是輸出和注入必定是一個確定值, 要麼0, 要麼1, 但是量子的話, 你要對他進行一個退相干, 有可能說是一個混合態, 所以這個0和1是50%, 你測試是有5次是0, 5次是1, 那麼你說一半活, 一半死, 50%的貓活了, 50%的貓死了, 所以這樣的情況下, 因為有這個特點, 也可以說有這個缺點, 所以量子計算機在不需要大量的並行預算中間, 它事實上和經典計算機比是沒有優勢的, 我們看一個視頻, 不需要用量子計算, 不需要並行去計算. 所以量子計算機是基本上不能徹底的取代經典計算機的. 兩者應用對象不同, 優勢互補, 關係有一點類似於白熾燈和雷射, 白熾燈和雷射是不同的, 白熾燈是一個不相干的光的發射, 雷射是相干光, 和計算機和量子計算機的關係類似.
但是我不能說我用雷射來代替白熾燈, 這是沒有用的, 但是白熾燈很多事情做不了, 雷射能夠做, 雷射並且能帶來很大的技術革命.
當然量子退相干也帶來了噪音的問題, 這是一個量子計算中最大的問題, 就是說它的環境會使得它帶來, 怎麼樣解決這個問題, 一個辦法是量子, 比如說和量子糾錯和量子避錯, 使量子錯誤很難發生的拓撲量子計算據做. 現在實現量子計算的途徑主要是有五種, 其中主攻方向叫做超導量子計算, 一個比較前瞻的, 就是拓撲量子計算, 但是拓撲量子計算在一個最前沿的, 還沒有實現量子比特, 超導量子計算機現在是業界的主流, 近幾年發展很快, 從2012年開始, 這個穀歌跟UCSB合作, 2012年從四個比特到2014年5個比特, 2015年9個比特, 中國去年和今年實現了10個超導比特的量子計算機, 現在又有IBM是16, 17個, 到英特爾也說他可以做十七個, 至少根據穀歌來說, 他說今年年底, 他們有望做出49個超導比特. 前面我說了這50個是一百萬億次, 號稱所謂的量子霸權, 是不是能這樣, 雖然這個數字看起來很慢, 但是我不知道, 隨著這個數字的增加, 它背後的事實上是一個指數型增加, 到了50將是非常. 正因為這樣, 近年來企業界參與得非常多, 有穀歌, 英特爾, IBM等, 當然也看到了阿里巴巴, 事實上我後面的講者也就是阿里巴巴的首席量子科學家和中科大合作, 2015年7月份聯合成立了中國科學院阿里巴巴量子計算實驗室, 各國政府的投入也非常多, 中國的投入也不少, 19個億, 在2013-2015年, 也會有更多, 不僅發生了量子衛星, 現在正在籌建量子資訊科學, 國家實驗室, 總部設在合肥, 這是他們的一個設計圖, 這是光子的量子化的符號.
最後我還有兩分鐘, 簡單講一下拓撲量子計算. 這個拓撲的概念正如茶杯可以連續變化成一個甜甜圈, 和拓撲相似, 中間都是有一個圈, 就有人在一買多年前就研究, 就是說這個圈, 的纏繞, 這個結, 是一個周期表, 你看這裡都編了碼, 有零個, 三個, 四個, 五個, 這個五個有不同種的. 當時做這個事情是為了解釋這個元素周期表, 當然最後弄出來, 這是跟元素周期基本上沒有關係的. 但是實際上, 後來認為說還是很有用, 有一個用處是所謂的超懸理論在高能物理中得到了一些啟發. 另外一個用途用於拓撲量子, 就是說這個結作為拓撲量子比特, 怎麼做? 這個就是說對於兩維的是可以做的, 這裡舉一個例子, 愛因斯坦跟他的學生, 愛因斯坦到處跑, 在地圖上可以這樣跑, 但是我們知道愛因斯坦說時空是一樣的, 有一個時間軸在這個兩維上就構成了一個三維的時空間, 你這樣看這個軸是怎麼走的, 是這樣走, 學生不動, 使這個白線, 這樣的話會形成一個這樣的結, 但是他們兩個都不動, 光看初始態和末態, 兩個一模一樣, 但是時間節不同, 導致拓撲態不同, 這是兩個不等價的量子態, 可以把這個說成是拓撲量子比特一態, 二態, 可以去做, 這樣的話就成為一個所謂任意值的想象, 這個有什麼好處, 編製過程或者是說這個結的過程, 只是和拓撲有關, 和它具體的形狀, 你說有一些雜訊, 有一些擾動的話不會改變它的結果, 所以這樣的話會收到一個拓撲保護的量子計算, 有天生的高容錯的現象, 用什麼准粒子, 就要用到馬越拉納准粒子, 當時馬越拉納通過一個方程印證的, 普通的照一個鏡子, 正電子和負電子, 電核相反, 對於馬越拉納, 照鏡子一模一樣, 這個也被命名為天使粒子, 照起來一模一樣, 在材料中怎麼樣實現, 當然現在主要有三個方法, 一個是所謂的本真的拓撲超導體, 第二個是用空間靜凝效應把拓撲和超導結合起來, 2008年實現傅亮和他的老師, 今年我們正式其實還有第三種方法就是用了導空間的近鄰效應來實現這裡有三個方法, 最近我們做的一些文章逐步證明了鐵基超導體中存在馬越那納准粒子激發, 這是幾個試驗的過程, 我不講了, 因為我的時間已經到了, 最後講一下量子計算的應用, 無論是人工智慧, 還是說機器學習, 精準預報天氣加速太空探索到快速演算法, 解決交通堵塞問題, 這裡都是會帶來巨大的變化, 所以是下次工業革命的一個引擎, 謝謝大家.