一般计算机用上亿年才能解决的难题，量子计算机只需花费数分钟。同时，量子计算机的发展速度也已远超人们预想，可能3~5年后就能实现。

记者/慈玉鹏(整理) 编辑/吉菁菁 供图/视觉中国

讲座专家

丁洪（中国科学院物理研究所研究员，北京凝聚态物理国家实验室常务副主任、首席科学家）

讲座地点：首都科学讲堂

曾经有一位著名的物理学家说过，世界上没有真正懂得量子物理的人。

量子力学自上世纪初提出后，就逐渐开始发挥巨大作用。我们现在使用的现代工具可以说都是基于量子力学，比如说计算机、手机、LED照明灯等都运用了量子物理。

在过去，工业革命出现过3次，第一次是以蒸汽机为主要动力的工厂生产时代;第二次是电机和内燃机的产生，让人类进入生产力大幅度提高的电气时代;第三次工业革命是以计算机为主的应用信息控制技术革命，而量子计算机将是第四次工业革命的引擎。

我们现在即将进入一个新的时代：以互联网、大数据和人工智能开始的第四次工业革命。但是，第四次工业革命需要依靠计算机的进一步升级。而经典计算机的发展，目前碰到了瓶颈。

从1970年到2005年，计算机技术的发展迅速，并遵循摩尔定律——每隔十八个月，集成电路上可容纳的元器件数目大约增加一倍，这意味着计算机的计算性能同时增加一倍。

2005年后，经典计算机的发展进入了一个缓慢的趋势。首先，因为随着计算机的元器件数量增多，产生的热量也不断增大。其次，随着元器件变小，电子会发生量子隧穿现象(注：量子隧穿是电子等微观粒子，能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象)，而发明量子计算机，是突破瓶颈的一个方法。

▲ 2017年12月3日，第四届世界互联网 大会上发布了世界互联网领域领先科技成 果。图为中科院量子信息与量子科技创新 研究院教授陆朝阳正在介绍我国研发的世 界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。（供图/视觉中国）

“违背常识”的量子物理

何为量子?其实就是足够小的事物，例如电子、原子、光子都是。量子是构成物质的基本单元，也是能量最基本的携带者。

量子物理与经典物理有两个不同的地方，其中一个是量子叠加。量子叠加是什么?在经典物理中，任何物质的“态”从宏观上看都是确定的。比如，将一本书放在桌子上，我们看到它呈现的状态不是正面就是反面，出现的“态”是确定的。但是量子不一样，它可以将正面和反面叠加在一起，成为一个并不确定的“态”，这就是所谓的量子叠加态。

再做一个比喻，电子自旋的方向可能是向上，也可能是向下。但是它有一个叠加态是一半向上一半向下，是不确定的。

在过去，人们一直没有发现其中的问题，直到“薛定谔的猫”思想实验的出现。薛定谔是量子物理的伟大奠基人，量子物理中最重要的就是薛定谔方程，量子世界所有的事物都遵守这个方程。

薛定谔提出设计一个实验，在笼子里放一只猫，里面放置一个装满毒气的装置。装置有一个开关，用电子的自旋状态去控制，如果它自旋向上就会将开关打开，放出毒气毒死猫。如果自旋向下，猫就会安然无恙。那么当电子处于叠加态，猫会如何呢?答案是猫一半可能是活的，一半可能是死的。

这个实验结果是不可想象的，很长时间里该理论在一直被认为是谬论。而现在，已经有实验能够证明它是对的，但是用的不是猫，而是宏观事物。

量子通信厉害在何处

量子物理与经典物理的第二个不同，是量子纠缠。

什么是量子纠缠?举个例子，比如说两个电子一个自旋向上，另一个自旋向下，这种相对关系是确定的。若是我们拉开这两个纠缠的电子，让它们相距很远。经过测试，发现其中一个电子自旋向上，那么在远处的另一个电子就一定是向下的。

爱因斯坦否定了这个理论，因为在相对论里，信息传播的速度是不可能超过光速的，所以爱因斯坦认为发生量子纠缠的一个粒子的状态，不可以立即影响到远处的另一个，这种信息传递速度是超光速的。但是近年来，量子纠缠愈发被证明是对的，而且开始被人类所利用。其中，它最大的用途就是量子通信。

量子通信厉害在哪里呢?首先体现在信息的保密上。现在，为了保证信息内容的保密性，我们会在其中加入密钥，量子通信的密钥是很难破解的。而且在量子通信中，信息一旦被“偷”，就会被发现。

另外，利用量子纠缠，量子通信能够将信息传送很远的距离。在宇宙中，通过“虫洞”可以从一个时空很快地到达另一个遥远的时空。我们可以这样认为，量子纠缠就是量子世界中的“虫洞”。

▲如果把比特0和 比特1想象成一个 虚拟空间中两个相互垂直的坐标轴，对于经典比特来说，只可能处于比特0或者比特1的轴上；而对于量子比特来说，它可以在两个轴之间的空间里随意“移动”，同时处于比特0和比特1的状态中。

超强的计算能力

量子计算机的计算能力是很强大的。在经典比特中(注：比特是计算机专业术语，是信息量单位)，0和1是其确定的一组比特，只能包括一个信息。量子比特不一样，除了确定了的0和1，它还可以处于一种叠加态，所以量子比特包括两个信息。

这决定了相对经典计算机，量子计算机的计算能力将成指数增长。1个量子比特储存两个信息数目，两个储存4个，4个储存8个……等到50个时候，也就会包含100万亿个信息。理想状况下，利用这50个量子比特算一次，原则上相当于进行100万亿次经典运算，这个数字基本上超过了现在的超级计算机。

举一个例子来描述一下指数增长的威力。这是一个古老的故事，国际象棋的发明者是一个印度人。当时，国王要奖励他，就问他：“你想要什么?”。他说自己想要的很简单，就是在国际象棋盘第一个格子里放1粒麦子，第2个放两粒，第3个放4粒，第4个放8粒，也就是每个格子的麦粒数，要是之前的2倍。国王认为这是小意思，等到给麦粒的时候，却发现这是个天文数字。若是按照这种方式，将棋盘中64个格子都放满，到底需要多少粒麦子呢?答案是184亿亿!

上世纪90年代，数学家提出了两个量子算法，一个是无序数据库搜索，另一个是大数分解。什么是无序数据库搜索?

假如我们现在使用经典算法在含有100个电话号码的手机电话薄里面找出一个人的号码，需要运算50次(100/2);而使用无序数据库搜索，则只需要运算10次。这种算法可以提高地图导航的效率和大数据的搜索速度。

大数分解的量子算法是什么?比如，将57因式分解会得到3×19的结果。在这个计算过程中，可以先用57÷2，不行再除以3，一个一个试。但是对于一个特别大的数，比18070820886874048059……17818879665631820132148805

57，就很难用这种方式将它分解。

针对这个问题，经典计算机是不能在短时间内给出答案的，量子计算机却可以。这两种方法的速度差别就是：当对于一个问题，经典计算机需要计算的次数已经超越了1035次时，使用量子计算机需要计算的次数却并不多。

因式分解在信息加密中，有非常大的用途，RSA加密(注：RSA是目前最有影响力和最常用的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准)就是利用了因式分解。RSA加密有公钥和密钥，公钥=密钥1×密钥2，现在，通用的是1024RSA，其中，1024就是公钥指数的位数。在过去，人们认为若是用一个2006年的高性能计算机工作站，将1024位数的公钥进行因式分解，需要10万年;而要用2048位，预计到2042年也需要3亿年的时间，这是根本无法破解的。

这种情况被量子计算机颠覆了。使用量子计算机破解1024位数的公钥只需要4.5分钟，2048位数只需要36分钟，就算4096位数，4.8个小时也就破解了。

而对于量子计算机来说，RSA加密是没有用的。中国不知道美国现在是否有量子计算机，如果有，那么我国的外交、军队的部署与调度都会被美国知悉，这正是我国大力发展量子通信的原因。

▲中国科学院郭光 灿院士曾经打过一个比方比喻量子纠 缠，说在美国的女儿生下孩子那一瞬间，远在中国的母亲就变成了姥姥，即便姥姥自己还不知道。之所以她是 姥姥而别人不是， 是因为她和女儿之间有一种“纠缠” 关系（图片来自网络）

量子计算机5年后可能实现

不过，量子计算机还不能取代经典计算机。对于指数发散的问题，量子计算机的计算速度优于经典计算机，但是在其他方面，经典计算机还是有优势的。量子计算机和经典计算机的关系就像激光和白炽灯，我们都知道，激光能做许多白炽灯不能做的事情，但是却不能取代白炽灯。

目前，我们实现量子计算机的途径主要有5种，分别是超导、离子阱、量子点、量子光学和拓扑量子计算。超导量子发展很快，是现在的主攻方向。

2012年，美国加州大学-圣塔芭芭拉分校(UCSB)与谷歌合作，实现了4个比特(比特越高，计算能力越优越)的超导量子计算机，又在2014、2015年，分别实现了5个比特和9个比特。此后，我国的中科大、浙大和物理所合作实现了10个比特。最近，IBM又实现了20个比特。

量子计算机的发展速度已经远远超过人们的预想。过去，大家以为量子计算机会是30~50年后的事，现在看来可能3~5年后就会实现。

目前，世界上的大型企业都在积极参与量子计算机的制造。美国的谷歌、英特尔、微软、IBM、中国的阿里巴巴都在争夺量子霸权。政府的投入也很大，我国在2013~2015年共投入了19个亿，后续又追加了许多，并正在成立量子信息科学国家实验室。

▲在电影《彗星来的那一夜》（原名“相 干性”）中，讨论了 平行世界发生“相干性（coherence）” 时发生的事。在平行世界里，“ 薛定谔的猫”在没打开盒子之前，仍然是 “不死不活”；打开 盒子之后，猫一活一死的两个结局迅速地分处两个世界，猫活着的世界和猫死了世界此时就发生了“退相干性（decoherence）” （图片来自网络）

更具优势的拓扑量子计算

相对现在人们的主攻方向——超导量子，其实用拓扑量子计算实现量子计算机更具优势。这是因为量子计算机存在一个很大的问题，就是退相干引起的噪音问题(会导致量子计算的失败)，解决的办法有两个：一个是通过量子纠错和量子避错;一个是通过拓扑量子计算。

拓扑的概念是什么呢?让我们想象，一个杯子透过连续变形变成了一个甜甜圈，虽然它们的样子不同，但两者拓扑的定义是相同的(注：拓扑只考虑物体间的位置关系，而不考虑它们的形状和大小)。如果一个事物只依赖它的拓扑，不依赖具体的形状、性质，那它就会很稳定。

纽结理论是拓扑学的一个分支，彼得·泰特(Peter Guthrie Tait)是扭结周期表的发明者，他是一位英国物理学家。彼得·泰特跟开尔文男爵威廉·汤姆逊(William Thomson)是同时代的人，两人是好朋友。开尔文在当时很有名气，现在温度在物理上使用的单位就是开尔文(Kelvins)。

有一天，开尔文观察到一个实验现象，吹出的烟圈很稳定，他就思考元素会不会都是烟圈组成的?最开始，彼得·泰特听了这个想法后，认为这项研究没有意义，因为通过烟圈并不能计算出元素的性质。但是开尔文坚持研究，他和著名物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)研究了10年。10年后，两人放弃了，认为这项研究确实没有任何用处。而此时的彼得·泰特却对这项研究着迷了。他继续研究，将不同的扭结排成一个表，做成了扭结周期表。但是，彼得·泰特直到去世也没有发现这项研究的用处。后来，几个著名的数学家继续对扭结进行探索，其中有一个叫爱德华·威腾(Edward Witten)，他最终提出了拓扑量子场论，这就是量子力学的前一步研究。此后，基于拓扑量子场论，理查德·费曼(Richard Feynman)最早提出了量子计算机。

▲ “ 我可以断 言没人懂量子力 学。”——提出“量 子计算机”的诺贝 尔奖获得者理查 德·费曼（Richard Feynman）（ 图片 来自网络）

拓扑量子计算是天生的“高容错”，虽然它局部有噪音(影响量子计算的因素)，但是只要大体的拓扑是一样，就不会对结果造成影响。若是想实现拓扑量子计算，就必须找到具有拓扑性的粒子，这个粒子叫马约拉纳费粒子。

目前，制造马约拉纳费粒子有三种方法，一是使用P-波超导体，这是非常难的。二是用S-波超导与拓扑绝缘体结合起来，用两个材料做出一个等效的P-波超导，这是现在研究的主流方向;三是今年我们提出的一个新方法，用铁基超导体中两套不同的能带，实现等效的P-波超导。

量子计算机有何用处呢?首先，我们现在发现它能够有效地提高机器的学习能力和人工智能;其次，它对复杂的现象，例如天气预报，能够报得非常快、非常准;再次，量子计算机可以加速人类对太空的探索;最后，它快速的算法能够解决许多实际问题，比如说交通拥堵、自动驾驶。所以，我们认为量子计算机将成为第四次工业革命的重要引擎。■

(本文据丁洪12月10日在首都科学讲堂的讲座整理)