用量子计算机探索自然

张胜誉

2020年02月12日  来源：人民网－人民日报

　　前段时间，美国国际商用机器公司（IBM）推出了53量子比特的量子计算机，并计划向外部用户开放使用。谷歌公司则发表论文称，成功让量子系统花费约200秒完成了传统超级计算机要1万年才能完成的任务。量子计算机的发展引发人们越来越多的关注。

　　与主宰宏观世界的经典力学不同，微观世界遵循量子力学原理。微观粒子有一些有趣的现象，第一个现象是叠加态。在宏观世界中一个物体在某一个时刻只能处于一种状态，比如一个人在一个时刻只能处于一个地方。但在微观世界中，一个粒子可以同时处于两种不同的状态中，好比一个人在同一个时刻可以既在北京又在巴黎。这种叠加态在宏观世界不可想象，但在微观世界里，科学家反复观察到了同一个粒子处于两种截然不同状态中的现象。更有趣的是，如果对这个粒子进行操作，会对它同时所处的两个状态都有影响，好比发出“举手”的指令时，在北京的这个人会举手，同时在巴黎的他也会举手。

　　第二个是观察和测量。在微观世界，对同一物体同一状态用相同方法测量，每次测量的结果可能都会不一样，也就是说结果不确定。更麻烦的是，测量之后被观测物的状态会发生改变。

　　第三个是量子纠缠，是发生在两个或更多个物体上的一种特殊状态，在这种状态下，多个物体彼此“分不开”，一个变化另一个就变化。比如，微观叠加态下，一群人既在北京又在巴黎开会，而且如果测量了其中一个人的位置是在北京，那么所有人都在北京了；如果测量的那个人的位置是在巴黎，那么所有人又都在巴黎了。在微观世界，物质呈现的性质与人们日常生活的直觉完全不一样。这些在微观世界中的新奇现象被精确的实验反复验证。

　　我们接着再来看看计算。计算可以理解为，有一个输入，也有一个指定的输出，中间环节是计算的过程。不同的计算问题难度不一样，比如两个数字相乘并不难。反过来，把一个大的数字分解成两个数字，难度就大大增加了。人们能想出来的大数分解算法都有很高的复杂度，以至于人们认为也许大数分解这个计算问题本质上就很难。计算困难成为了现代密码学的基础，广泛应用于互联网和电子商务等领域。1994年，贝尔实验室的科学家肖尔发现，使用量子计算机可以让大数分解变得很快。经典计算机很久都算不出来的数字，量子计算机很快就能解决。数字越长，这种优势就越明显。这将对现有的密码学造成很大影响。

　　现在已经发展出了很多量子算法。大体而言，量子算法利用了叠加态带来的天然的并行计算能力，利用不同的路径可以一起工作的优势，同时克服量子计算只能进行旋转变换、测量的不确定性和破坏性等困难。需要指出的是，在一些计算问题上，量子计算并没有优势，或者优势非常有限。所以，对哪些计算问题有优势，优势有多大，如何利用这个优势，是量子计算的根本性问题。

　　量子计算被视为加速人类计算能力的重要入口。量子算法在数论、线性代数、组合、优化、量子系统模拟、化学等方面展现出了越来越多的优势。另一方面，量子算法需要在量子计算机上运行。近20年，量子计算机在多个方向上均取得了稳步的进展。这些量子科学理论和软硬件领域的突破进展，会给云计算、人工智能、药物、材料研发等多个关键领域带来颠覆性革新。比如，用更快的人工智能算法，以及通过云的方式提供更快的计算，可以加速药物分子的研发和新材料的设计。量子计算会大大改变人类认识自然尤其是微观世界的方式，产生深远的影响。

　　（作者为腾讯量子实验室负责人）