量子計算將引爆第四次工業(yè)革命

　　量子計算是下一次工業(yè)革命的引擎，這種說法并不是沒有道理，量子計算機(jī)依賴出現(xiàn)在自然界的量子力學(xué)現(xiàn)象――基本上是物質(zhì)的兩種重要狀態(tài)，名為疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。物質(zhì)的這些狀態(tài)被用于計算時，有望提升我們對復(fù)雜數(shù)據(jù)集執(zhí)行計算的能力。

　　這里的重要區(qū)別在于量子計算機(jī)不同于傳統(tǒng)計算機(jī)，而傳統(tǒng)計算機(jī)是依賴晶體管的二進(jìn)制數(shù)字電子計算機(jī)。

　　在經(jīng)典計算機(jī)有一個不可避免的熱損耗。浪德爾原理說如果有這個比特信息丟失的話，是不可逆的過程，信息的丟失，必然有一部分會以熱量的形式來散發(fā)掉，這樣的話就有一個熱的極限問題，但是量子計算機(jī)從原理上是完全可逆的，就可以超越這個浪德爾熱極限。

　　量子算法保證量子計算的并行性優(yōu)勢可以充分發(fā)揮，并大大提高量子計算所需結(jié)果的出現(xiàn)概率。

　　實(shí)現(xiàn)量子計算的途徑是物理硬件，超導(dǎo)的相對優(yōu)勢是可擴(kuò)展性好，相干性時間較長；拓?fù)淞孔佑嬎愕膬?yōu)勢是理論相干時間長，錯誤率低。但拓?fù)淞孔佑嬎愕牧觿菔菍?shí)驗(yàn)處于起步階段。

　　提到量子計算的應(yīng)用，丁洪表示量子計算可以提升機(jī)器學(xué)習(xí)及人工智能，精準(zhǔn)預(yù)測天氣，加速太空探索以及解決交通堵塞問題。

　　我們都知道，在以前有過幾次工業(yè)革命，準(zhǔn)確的說是有過三次，第一次是以蒸汽機(jī)為主要動力的工廠生產(chǎn)時代，第二次是電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)生，人類進(jìn)入了生產(chǎn)力大幅度提高的電氣時代。第三次就是我們非常熟悉的信息時代，以計算機(jī)為主的一個第三次工業(yè)革命，現(xiàn)在又進(jìn)一步進(jìn)化，進(jìn)化以互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)和人工智能開始的第四次工業(yè)革命即將來襲，從第三次和第四次來看，計算機(jī)都起著一個主導(dǎo)作用，但是今年計算機(jī)發(fā)展，現(xiàn)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，集成電路上可容納的元器件數(shù)目增加一倍，計算性能增加一倍，這使計算機(jī)上面的元器件的尺寸越來越小，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入納米時代，已經(jīng)是到了小于十個納米的時代。這樣就帶來了兩個問題，第一個問題是經(jīng)典計算機(jī)是不可避免熱能耗問題，我一會兒會仔細(xì)的講一下所謂的浪德爾機(jī)械，第二個是隨著元器件見效有量子效應(yīng)，電子在小尺度上面會發(fā)生量子雖穿現(xiàn)象，這樣的話一個經(jīng)典比特會導(dǎo)致摩爾定律的最終失效，這個時候有人提出量子計算機(jī)，為什么要做量子計算機(jī)，因?yàn)樵诮?jīng)典計算機(jī)有一個不可逆的，就是不可避免的熱損耗，比如說做這個運(yùn)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后的結(jié)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信息的丟失的話，是不可逆的過程的話，信息的丟失，必然有一部分會以熱量的形式來散發(fā)掉，這樣的話有一個熱的極限問題，但是量子計算機(jī)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，對于量子世界來說，是一個非常復(fù)雜的，實(shí)際上在80年代著名的物理學(xué)家諾貝爾獲得者就提出追尋量子計算法則的計算器是模擬量子世界的最好的方法，這也是量子計算機(jī)的最初概念的世界，我們看看什么是量子誰，所謂量子就是大家比較熟悉的光子，電子，原子構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，也是能量的基本攜帶者，量子世界有兩大獨(dú)特的風(fēng)景，一大是叫做量子疊加，這里舉了一個比較通俗的例子，就是說薛定諤，生和死這樣認(rèn)為是確定的，量子里面如果有（量子貓 音）的話，就是說生和死會有混合態(tài)，就是說生死不明。第二個是量子糾纏，什么意思呢？兩個量子糾纏的，這糾纏態(tài)的相互關(guān)系，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(fā)現(xiàn)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(yuǎn)，非常遠(yuǎn)。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(shí)際上認(rèn)為空間很遠(yuǎn)，但是他們有一個辦法通過一個從動，實(shí)際上非常近。

　　對于經(jīng)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(tài)，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(jī)也是這樣，輸入一個確定的數(shù)，輸出一個確定的數(shù)，但是對于量子比特來說，他確實(shí)帶有不確定性，除開有0和1，比如說這里向上指的這個自學(xué)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?yàn)槿我夥较蚴怯蟹较蚴?態(tài)，有一部分是1態(tài)，0和1態(tài)同時又，這樣的話就導(dǎo)致了量子計算機(jī)的指數(shù)增長，這里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信息數(shù)目，兩個儲存四個，四個儲存八個，十六，然后六十個的時候也是非常驚人的數(shù)目，別人把這個50比特，就是因?yàn)樗梢赃_(dá)到一百萬億次經(jīng)典計算，如果你能夠充分利用這個量子比特來同時的進(jìn)行你對五十個量子比特操作的話，原則上可以進(jìn)行一百萬億次經(jīng)典運(yùn)算，所以這里就有非常大的優(yōu)勢，量子算法也就保證了量子計算的平行優(yōu)勢可以充分的發(fā)揮，并且能夠大大提高量子計算所需的結(jié)果出現(xiàn)概率，這里也簡單講一下兩個量子算法，一個叫做無序數(shù)據(jù)庫搜索，一個是大數(shù)分揀，分別在1996年和1994年提出的，這個說起來是對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜尋，經(jīng)典的話，我們?nèi)绻乙粋€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，然后找到，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(jìn)去的話，出來的話會有NO，NO，YES，當(dāng)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。這里就是曲線來表示，德國，這個有什么用，可以作為地圖導(dǎo)航提高效率，如果地圖導(dǎo)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?yàn)楹芏?，就可以開根號來算。第二個是提高了大數(shù)據(jù)的搜尋速度。這個算法主要是用于因式分解，大家都知道因式分解，比如說這里舉一個例子，57分解成3×19，對于綠色的，這么大的一個數(shù)字，因式分解確實(shí)非常難，做乘法很容易，但是把做出來的乘積進(jìn)行因式分解非常困難，分成兩個數(shù)組非常難，甚至超級計算機(jī)都不可能做出來，但是對于提出的量子的分解，就能夠，我有量子計算機(jī)，我很快把這個大數(shù)分解成兩個數(shù)，這個分解速度就是紅線，跟這個藍(lán)線比，你看藍(lán)線是一個指數(shù)形式，上面都是10的35次方，紅線停留的還是非常緩慢的，那么你們問這個因式分解有什么用，因式分解有非常大的用途，這里有一個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(shù)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。

　　所以對于這樣計算機(jī)來說，是非常難的，比如說研究比較通用的1024，在2006年用經(jīng)典計算機(jī)去破，是一萬年，現(xiàn)在是比較短的，38年，24就可以破譯，現(xiàn)在說最好不用這個，因?yàn)橐呀?jīng)有人破譯，以后再發(fā)展可以到天數(shù)，對于量子計算，對于量子計算機(jī)來說，就要十分鐘就能夠破譯，因?yàn)槟阏f我把這個數(shù)字再提高，提高到一千，兩千，四千，對于經(jīng)典計算機(jī)的增加，到了超過宇宙年齡。這是幾乎不可能，但是你看對于量子計算機(jī)，并不需要再發(fā)展它的速度，都是從分?jǐn)?shù)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的密鑰等同于公鑰，這是一個重要的作用。

　　量子計算機(jī)利用的是量子相干現(xiàn)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(jīng)典的不是這樣，是輸出和注入必定是一個確定值，要么0，要么1，但是量子的話，你要對他進(jìn)行一個退相干，有可能說是一個混合態(tài)，所以這個0和1是50%，你測試是有5次是0，5次是1，那么你說一半活，一半死，50%的貓活了，50%的貓死了，所以這樣的情況下，因?yàn)橛羞@個特點(diǎn)，也可以說有這個缺點(diǎn)，所以量子計算機(jī)在不需要大量的并行預(yù)算中間，它事實(shí)上和經(jīng)典計算機(jī)比是沒有優(yōu)勢的，我們看一個視頻，不需要用量子計算，不需要并行去計算。所以量子計算機(jī)是基本上不能徹底的取代經(jīng)典計算機(jī)的。兩者應(yīng)用對象不同，優(yōu)勢互補(bǔ)，關(guān)系有一點(diǎn)類似于白熾燈和激光，白熾燈和激光是不同的，白熾燈是一個不相干的光的發(fā)射，激光是相干光，和計算機(jī)和量子計算機(jī)的關(guān)系類似。

　　但是我不能說我用激光來代替白熾燈，這是沒有用的，但是白熾燈很多事情做不了，激光能夠做，激光并且能帶來很大的技術(shù)革命。

　　當(dāng)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(huán)境會使得它帶來，怎么樣解決這個問題，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(fā)生的拓?fù)淞孔佑嬎銚?jù)做。現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)量子計算的途徑主要是有五種，其中主攻方向叫做超導(dǎo)量子計算，一個比較前瞻的，就是拓?fù)淞孔佑嬎?，但是拓?fù)淞孔佑嬎阍谝粋€最前沿的，還沒有實(shí)現(xiàn)量子比特，超導(dǎo)量子計算機(jī)現(xiàn)在是業(yè)界的主流，近幾年發(fā)展很快，從2012年開始，這個谷歌跟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(shí)現(xiàn)了10個超導(dǎo)比特的量子計算機(jī)，現(xiàn)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(jù)谷歌來說，他說今年年底，他們有望做出49個超導(dǎo)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(quán)，是不是能這樣，雖然這個數(shù)字看起來很慢，但是我不知道，隨著這個數(shù)字的增加，它背后的事實(shí)上是一個指數(shù)型增加，到了50將是非常。正因?yàn)檫@樣，近年來企業(yè)界參與得非常多，有谷歌，英特爾，IBM等，當(dāng)然也看到了阿里巴巴，事實(shí)上我后面的講者也就是阿里巴巴的首席量子科學(xué)家和中科大合作，2015年7月份聯(lián)合成立了中國科學(xué)院阿里巴巴量子計算實(shí)驗(yàn)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(fā)生了量子衛(wèi)星，現(xiàn)在正在籌建量子信息科學(xué)，國家實(shí)驗(yàn)室，總部設(shè)在合肥，這是他們的一個設(shè)計圖，這是光子的量子化的符號。