雖然可能很多人對(duì)“量子”這個(gè)概念非常陌生，但實(shí)際上量子力學(xué)誕生已經(jīng)超過120多年了。

在上個(gè)世紀(jì)量子力學(xué)直接或者間接地催生了包括晶體管、激光、巨磁阻、核磁共振在內(nèi)的一系列的技術(shù)。量子其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)，量子一直在我們身邊。

最近十多年有個(gè)新的概念叫做“第二次量子革命”。2012年，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了國(guó)際上第一次能夠操縱和測(cè)量單個(gè)量子系統(tǒng)的兩位科學(xué)家，2022年，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給可以把兩個(gè)光子形成糾纏態(tài)并做貝爾檢驗(yàn)的三位科學(xué)家。

此外，量子之所以引起大家比較廣泛的興趣，還因?yàn)榘?strong>墨子號(hào)、懸鈴木、九章、祖沖之號(hào)等具有較大社會(huì)影響力的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，國(guó)際上有很多大公司，例如谷歌、IBM、微軟這樣一些公司也強(qiáng)勢(shì)地介入了這個(gè)領(lǐng)域的研究。

量子帶來什么

從哲學(xué)爭(zhēng)論，到被動(dòng)觀測(cè)，再到主動(dòng)操縱，對(duì)微觀粒子的主動(dòng)操縱催生了現(xiàn)在科學(xué)家們正在從事的、歐洲白皮書稱為“第二次量子革命”的一些新的技術(shù)，包括安全通訊、超快計(jì)算、精密測(cè)量等等。

量子保密通信的原理在于，一旦對(duì)量子態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，這個(gè)行為會(huì)不可避免地干擾到它本身的狀態(tài)，干擾之后的狀態(tài)就可以被通信雙方察覺，竊聽必然被發(fā)現(xiàn)，保證了物理學(xué)上的安全性。

中國(guó)科學(xué)家在2016年發(fā)射了首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，并基于“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了洲際的7600公里的量子通信。

在量子計(jì)算方面，相干疊加原理給我們提供了一種在原理上可以用來做并行處理的新能力。

但是“并行處理”還不夠，因?yàn)檩敵鲆彩侵笖?shù)多的。還需要通過量子干涉和巧妙的算法設(shè)計(jì)，把指數(shù)多的輸出量子態(tài)，通過干涉增強(qiáng)，得到有意義的結(jié)果。目前，這樣的算法還比較少。

也就是說，量子計(jì)算并不是對(duì)所有的任務(wù)都可以提供指數(shù)或者多項(xiàng)式級(jí)別的算力加速。它最有價(jià)值的應(yīng)用是針對(duì)部分高復(fù)雜度的NP問題。

這也是Scott Aaronson教授博客最顯眼的一句話：量子計(jì)算并不等價(jià)于并行計(jì)算。

量子計(jì)算的不同發(fā)展階段

1981年，Richard Feynman提出了量子計(jì)算的一些基本概念。作為理論物理學(xué)家，他觀察到，在計(jì)算量子系統(tǒng)的結(jié)果的時(shí)候，量子系統(tǒng)本身是處于相干疊加的，因此對(duì)它的描述會(huì)隨著量子比特的數(shù)目指數(shù)上升。

比如在描述一個(gè)含有n個(gè)電子的分子時(shí)，在沒有近似的情況下，需要4的n次方的參數(shù)，此時(shí)難以通過經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效模擬。

1985年，牛津大學(xué)David Deutsch建立了量子圖靈機(jī)的理論框架。
1994年，麻省理工學(xué)院Peter Shor提出了大數(shù)分解算法，這是第一個(gè)真正有實(shí)用價(jià)值、可以提供指數(shù)加速的算法。意味著，如果有通用量子計(jì)算機(jī)，就可以輕易破解以RSA為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的密碼，因此引起了廣泛的關(guān)注。

Shor的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)是提出了量子糾錯(cuò)的理論，因此很多人說Shor兩次拯救了量子計(jì)算領(lǐng)域。

經(jīng)過這三位理論科學(xué)家的努力，量子計(jì)算的理論大廈已經(jīng)基本建好。

接下來的一個(gè)挑戰(zhàn)就是對(duì)量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)——要找到一種能夠制備量子比特大規(guī)模的擴(kuò)展，并且對(duì)它進(jìn)行高精度的操縱，然后形成大規(guī)模的集成的體系。這也是目前量子計(jì)算面臨的最大挑戰(zhàn)（沒有之一）。

實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)可以分為4個(gè)階段。

第一個(gè)階段是找到一個(gè)物理的系統(tǒng)，進(jìn)行一些基本的算法演示。對(duì)于第一階段，中科大團(tuán)隊(duì)在光子方面在國(guó)際上做得比較早——第一次實(shí)現(xiàn)光子的CNOT門，大數(shù)分解算法，6個(gè)光子的簇態(tài)量子計(jì)算機(jī)，容失編碼、糾錯(cuò)編碼的演示。

這個(gè)階段國(guó)際上的實(shí)驗(yàn)由于量子比特的數(shù)目較少，或是操縱的精度不夠，他們的結(jié)果都是可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬的。

第二個(gè)階段的目標(biāo)：“量子計(jì)算優(yōu)越性”，就是對(duì)特定問題的求解超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

而實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，才是量子計(jì)算從物理學(xué)實(shí)驗(yàn)變成真正可以展示算力的相變點(diǎn)，也是回答“什么時(shí)候量子計(jì)算可以從**‘是’科學(xué)，進(jìn)步到‘做’**科學(xué)”的答案。

走出相變點(diǎn)之后，科學(xué)家們可以增加規(guī)模，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用以及容錯(cuò)的、通用的量子計(jì)算。

2012年，加州理工的John Preskill教授提出Quantum Supremacy這個(gè)概念，他認(rèn)為“這是人類歷史上的一個(gè)特殊時(shí)刻”。

在他的報(bào)告里面，John Preskill將物理學(xué)的前沿分為三類：

第一類是在極短的距離、極大的能量里面產(chǎn)生的很多物理現(xiàn)象，包括量子引力、中微子、希格斯玻色子、超對(duì)稱。

第二類是在超遠(yuǎn)的距離里面的很多物理現(xiàn)象，包括暗物質(zhì)、暗能量、宇宙微波背景輻射、引力波等等。

他把量子計(jì)算歸于第三類前沿，稱之為**“復(fù)雜度的前沿”**，這里有很多“more is different”的現(xiàn)象，即一旦相互作用的多體數(shù)量很多，會(huì)“涌現(xiàn)”出許多新的相變，產(chǎn)生新的量子物質(zhì)。

為了實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，其中有兩個(gè)算法，一個(gè)是用光子完成玻色取樣，還有一個(gè)是用邏輯線路實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣。

相比要實(shí)現(xiàn)300位大數(shù)的分解算法，這兩個(gè)算法在實(shí)驗(yàn)上要容易得多，因?yàn)橹恍枰蟾?0到100個(gè)物理比特，而Shor算法可能需要幾千萬個(gè)物理比特，而且精度要高很多。

同時(shí)，因?yàn)槿訂栴}的數(shù)學(xué)復(fù)雜度要比大數(shù)分解高，所以這兩種算法可以提供更令人信服的對(duì)于計(jì)算復(fù)雜度的證明。

2016年7到8月，美國(guó)加州理工和谷歌分別發(fā)布了關(guān)于“量子計(jì)算優(yōu)越性”的計(jì)劃。

谷歌的（前）首席科學(xué)家John Martinis在他的很多報(bào)告里面經(jīng)常用Quantum Space Race（量子太空競(jìng)賽，如下圖）作為做報(bào)告的第一頁，把人類基于新的原理產(chǎn)生新的算力，和登月計(jì)劃做類比。

谷歌在2019年宣布，53個(gè)比特的超導(dǎo)量子系統(tǒng)可以在200秒內(nèi)完成超算需要1萬年才能完成的問題。

這個(gè)宣稱，其實(shí)也會(huì)隨著量子和經(jīng)典算法的競(jìng)爭(zhēng)不斷發(fā)生變化。最近中科大的研究人員通過改進(jìn)的經(jīng)典算法，發(fā)現(xiàn)其實(shí)只要用200個(gè)GPU就可以在同樣的時(shí)間，在差不多的能耗下完成相同的任務(wù)。所

以目前國(guó)際學(xué)術(shù)界基本上認(rèn)為當(dāng)時(shí)谷歌的第一個(gè)53個(gè)比特的系統(tǒng)，其量子計(jì)算的優(yōu)越性已經(jīng)被打破了。

與此同時(shí)，我們希望在中國(guó)用不同的物理體系實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的展示：基于線性光學(xué)和光子的玻色取樣。

玻色取樣其實(shí)是一系列的單光子或者是量子壓縮光源作為輸入，輸入到一個(gè)比如100×100或144×144的網(wǎng)絡(luò)里面，最后在輸出的端口進(jìn)行探測(cè)，來獲取輸出的分布，這也是走向通用光量子計(jì)算的一個(gè)必要的部分。

我們?cè)?strong>2020年底完成了76光子、100模式的量子計(jì)算優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)。

2021年，我們又受到了受激輻射的光放大的啟發(fā)，決定通過受激輻射放大量子光，于是我們用同樣的激光功率產(chǎn)生4倍多的量子光源，做到了113個(gè)光子的九章二號(hào)的實(shí)驗(yàn)。

之前的實(shí)驗(yàn)都是使用閾值探測(cè)器，只能分辨有沒有光子，2023年，我們使用時(shí)空解復(fù)用的方法制作出九章三號(hào)，可以精確地分辨出不同數(shù)量的光子，達(dá)到了255光子的操縱。

為此，《自然》報(bào)道：“中國(guó)物理學(xué)家挑戰(zhàn)谷歌的量子優(yōu)越性”。

下圖總結(jié)了從1997年開始，國(guó)際上能夠操縱的最多的光子數(shù)目。目前我們正在研發(fā)下一代的、希望能做到大概3000個(gè)光子的“九章四號(hào)”的實(shí)驗(yàn)。

之后，加拿大和美國(guó)的一個(gè)聯(lián)合小組，他們跟隨“九章”的路線做了一個(gè)高斯玻色取樣的實(shí)驗(yàn)。

德國(guó)也啟動(dòng)了一個(gè)5000萬歐元的項(xiàng)目，也正在做這方面的工作。

除了用和谷歌完全不同的光子路線之外，中科大團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)路線上也做了一個(gè)更大規(guī)模和更高精度的祖沖之號(hào)2.0和2.1的實(shí)驗(yàn)。

我們國(guó)家也是目前唯一在光和超導(dǎo)兩個(gè)技術(shù)路線上，都實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性的國(guó)家。

下一步，就是量子計(jì)算的第三個(gè)階段——我們希望能夠發(fā)展一些有專門的應(yīng)用價(jià)值的量子模擬機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生后，不會(huì)使得傳統(tǒng)的筆記本電腦被拋棄。量子計(jì)算會(huì)用來完成一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能夠勝任的任務(wù)。

量子計(jì)算最擅長(zhǎng)的還是解決和量子力學(xué)緊密關(guān)聯(lián)的一些問題，比如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)上的一些問題。

我們用量子計(jì)算的平臺(tái)做了一些比較初步的探索，例如演示了分?jǐn)?shù)反常量子霍爾效應(yīng)。

我們還用定量的實(shí)驗(yàn)方法檢驗(yàn)了虛數(shù)的物理實(shí)在。

那么，要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的第四個(gè)階段——做容錯(cuò)、通用的量子計(jì)算，還存在哪些挑戰(zhàn)呢？

回顧一下，在谷歌的實(shí)驗(yàn)里，使用了53個(gè)比特，20層的邏輯門的深度，最后輸出的保真度是0.2%。

可以看到，即使在這么小的規(guī)模下，如果缺少量子糾錯(cuò)，最后量子計(jì)算的精度也會(huì)嚴(yán)重地受限于量子態(tài)的錯(cuò)誤，所以需要糾正這種錯(cuò)誤。

谷歌2023年的一個(gè)實(shí)驗(yàn)初步證明了隨著量子糾錯(cuò)表面編碼比特?cái)?shù)的增加，邏輯比特的錯(cuò)誤會(huì)有略微的下降。

離子阱和中性原子陣列也有一些比較好的潛力。下圖總結(jié)了目前基于邏輯門形式的量子計(jì)算的三種體系，離子阱、超導(dǎo)和中性原子。

離子阱歷史上發(fā)展最早，也是目前操縱精度最高的。超導(dǎo)目前是在數(shù)量和質(zhì)量上均衡性做得非常好的一個(gè)體系。中性原子陣列，特別在去年，獲得了比較快速的發(fā)展，可以做到99.5%的兩比特門精度，并做到了幾百個(gè)原子的陣列，并演示了非常初步的邏輯比特操縱。

中性原子還有一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)：可以物理移動(dòng)。我們可以用光鑷把原子抓過來，和任意一個(gè)其他的原子進(jìn)行相互作用，可以極大地提高量子糾錯(cuò)的效率。

總的來說，量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究需要攀登四座高峰，現(xiàn)在基本上是已經(jīng)爬過了第二座，在第三座做一些初步探索的階段。

甄別泡沫，抓住真正的機(jī)遇

我個(gè)人猜測(cè)，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展非常類似于激光。激光發(fā)明后，首先作為一種實(shí)驗(yàn)室里面物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家的工具。激光被普遍使用后，我們還是會(huì)使用普通的日光燈和 LED，但是激光會(huì)用在一些日光燈和LED不能夠勝任的工作上面，作為“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”、“最快的刀”用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)、激光切割、互聯(lián)網(wǎng)通訊等等。

目前，國(guó)際上初創(chuàng)的量子計(jì)算的公司急劇擴(kuò)張。然而，近期Scott Aaronson教授在接受采訪時(shí)指出，人們所希望的量子計(jì)算機(jī)能夠加速機(jī)器學(xué)習(xí)、量子金融、人工智能等，前景并不明朗。

國(guó)際上也涌現(xiàn)出許多不靠譜的概念，甚至是明顯的騙局。這里有兩個(gè)特別離譜的例子，一個(gè)是美國(guó)的一個(gè)注冊(cè)醫(yī)生在新冠期間把量子糾纏、新冠病毒、Google credit scores和dematrix，胡亂結(jié)合起來。

另一個(gè)是一個(gè)日本籍的教授，他最近出版了一本書叫做《Quantum Supremacy》，這里面宣傳量子計(jì)算可以解決阿爾茲海默癥、帕金森這樣一些疾病，并寫道“人類面臨的問題沒有一個(gè)是量子計(jì)算不能解決的”。這些目前都沒有經(jīng)過科學(xué)證實(shí)。

推特上有一個(gè)賬號(hào)，叫做Quantum Bullshit Detector，對(duì)于網(wǎng)上的各種言論，大家可以民主地進(jìn)行投票，判斷這個(gè)言論是不是偽科學(xué)。

最后，我想引用一下John Preskill的一句話——“想要做成一件偉大的事情，我們需要對(duì)未來保持樂觀。但是在設(shè)定有雄心的目標(biāo)和散發(fā)不切實(shí)際的期望之間，需要有一條清晰的界限。從長(zhǎng)遠(yuǎn)上來說，我們需要尊重這條界限?！?/p>

陸朝陽，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、上海研究院執(zhí)行院長(zhǎng)。長(zhǎng)期致力于量子信息和量子計(jì)算的研究，在《現(xiàn)代物理評(píng)論》、《自然》、《科學(xué)》等國(guó)際頂級(jí)期刊雜志發(fā)表論文140余篇，被引用27000余次。多自由度量子隱形傳態(tài)工作入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)Breakthrough of The Year，“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)和實(shí)數(shù)量子力學(xué)檢驗(yàn)的工作分別入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)Highlights of The Year。曾獲國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、首屆科學(xué)探索獎(jiǎng)和新基石研究員、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)阿道夫隆獎(jiǎng)?wù)?、美?guó)物理學(xué)會(huì)量子計(jì)算獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)、全球華人物理學(xué)會(huì)亞洲成就獎(jiǎng)。