阿里和中科院合辦量子實(shí)驗(yàn)室為哪般？

 量子，這個(gè)詞似乎一直與大眾的生活不是關(guān)系很大。但是最近阿里巴巴和中國科技大學(xué)在上海合作成立“中科院-阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室”。借著阿里巴巴的 名氣，很多人注意到了量子。到底量子技術(shù)是一門什么樣的技術(shù)呢？它與我們的生活又有多大的關(guān)系呢？阿里為何要斥巨資與中國科技大學(xué)合辦量子實(shí)驗(yàn)室呢？

企業(yè)注資與官方科研部門合辦量子實(shí)驗(yàn)室，這在世界上并不是首例。早在幾年前，IBM和微軟就已經(jīng)致力于量子計(jì)算機(jī)的研究，并且取得了一定的成果。繼此之后，Google也開展了量子計(jì)算研究，并和美國國家航天局(NASA)聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室(QuAIL)。2014年，Google正式雇傭美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校的約翰·馬丁尼斯(John Martinis)成立超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，開創(chuàng)了私人公司全資資助量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的先河。

阿里巴巴做為中國市值最高的互聯(lián)網(wǎng)公司在經(jīng)典信息技術(shù)上積累雄厚，同時(shí)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子信息學(xué)研究上領(lǐng)先世界。在Google模式的啟發(fā)下，兩者一拍即合，成立了該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

量子疊加態(tài)

量子計(jì)算為何有如此魅力，吸引互聯(lián)網(wǎng)巨頭紛紛解囊?這要從量子物理學(xué)最基本也是最奇異的特性“疊加態(tài)”(superposition)說起。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時(shí)刻僅有確定的一個(gè)狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會(huì)同時(shí)處于不同的量子態(tài)上。一個(gè)簡單的例子就是雙縫干涉，經(jīng)典的粒子一次只能通過一個(gè)狹縫，但是量子力學(xué)的粒子一次可以同時(shí)通過多個(gè)狹縫，從而產(chǎn)生干涉。

傳統(tǒng)的信息技術(shù)扎根于經(jīng)典物理學(xué)，一個(gè)比特在特定時(shí)刻只有特定的狀態(tài)，要么是0，要么是1，所有的計(jì)算都按照經(jīng)典的物理學(xué)規(guī)律進(jìn)行。量子信息扎根于量子物理學(xué)，一個(gè)量子比特(qubit)就是0和1的疊加態(tài)，可以寫作：

|Φ>=a|0>+b|1>

這里用Φ代表0和1的疊加(因?yàn)殚L得像)。|>為狄拉克符號(hào)，代表量子態(tài)。a和b是兩個(gè)復(fù)數(shù)，滿足關(guān)系|a|2+|b|2=1。于是一個(gè)量子比特可以用一個(gè)布洛赫球面(Bloch sphere)來表示。相比于一個(gè)經(jīng)典比特只有0和1兩個(gè)值，一個(gè)量子比特的值有無限個(gè)，分布在整個(gè)布洛赫球面上。

表示量子比特的布洛赫球面，球面代表了一個(gè)量子比特所有可能的取值。

 因?yàn)樘幱诏B加態(tài)，一個(gè)量子比特同時(shí)代表|0>和|1>(只要取值不恰好是|0>或者|1>)，對(duì)這個(gè)量子比特做一次操作就相當(dāng)于同時(shí)對(duì)|0>和|1>都做了操作。擴(kuò)展下去，比如一個(gè)10比特的數(shù)，經(jīng)典計(jì)算一次運(yùn)算只能處理一個(gè)數(shù)(如0001001000，0100001000，1001101101…….)。量子計(jì)算則可以處理一個(gè)10量子比特的疊加態(tài)：|ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ>。這就即意味著，量子計(jì)算一次運(yùn)算就可以處理210=1024個(gè)數(shù)(從0到1023被同時(shí)處理一遍)。

以此類推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)是2的指數(shù)增長關(guān)系。一個(gè)64位的量子計(jì)算機(jī)一次運(yùn)算就可以同時(shí)處理264=18446744073709551616個(gè)數(shù)。如果單次運(yùn)算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級(jí)別(1GHz)，那么這個(gè)64位量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將是世界上最快的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)(每秒33.86千萬億次)的545萬億倍!

量子力學(xué)疊加態(tài)賦予了量子計(jì)算機(jī)真正意義上的“并行計(jì)算”，而不像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)強(qiáng)烈需求的今天，量子計(jì)算機(jī)越來越獲得互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

肖爾算法——RSA加密技術(shù)的終結(jié)者

1985年，牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維·德意志(David Deutsch)提出了量子圖靈機(jī)的概念[1]，隨后貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得·肖爾(Peter Shor)于1995年提出了量子計(jì)算的第一個(gè)解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法[2]。

我們今天在互聯(lián)網(wǎng)上輸入的各種密碼，都會(huì)用到RSA算法加密。這種技術(shù)用一個(gè)很大的數(shù)的兩個(gè)質(zhì)數(shù)因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個(gè)數(shù)很大，用目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度算出他的質(zhì)數(shù)因子幾乎是不可能的任務(wù)。

但有了量子計(jì)算機(jī)，就是另外一種情況。利用量子計(jì)算的并行性，肖爾算法可以在很短的時(shí)間內(nèi)通過遍歷來獲得質(zhì)數(shù)因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術(shù)不堪一擊。

量子計(jì)算機(jī)會(huì)終結(jié)任何依靠計(jì)算復(fù)雜度的加密技術(shù)，但這不意味著從此我們會(huì)失去信息安全的保護(hù)。量子計(jì)算的孿生兄弟——量子通信，會(huì)從根本上解決信息傳輸?shù)陌踩[患。(關(guān)于量子通訊，可以參考我之前寫過的科普文章。)

格羅弗算法——未來的搜索引擎

肖爾算法提出一年后的1996年，同在貝爾實(shí)驗(yàn)室的洛夫·格羅弗(Lov Grover)提出了格羅弗算法[3]，即通過量子計(jì)算的并行能力，同時(shí)給整個(gè)數(shù)據(jù)庫做變換，用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。

量子計(jì)算的格羅弗搜索算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，這也是互聯(lián)網(wǎng)巨頭們對(duì)量子計(jì)算最大的關(guān)注點(diǎn)之一。量子信息時(shí)代的搜索引擎將植根于格羅弗算法，讓我們更快捷地獲取信息。

退相干——量子計(jì)算機(jī)最大的障礙

量子計(jì)算各種算法的理論已經(jīng)成熟多年，但是世界上第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)還是遙遙無期。因?yàn)樵谖锢韺?shí)現(xiàn)上，量子計(jì)算機(jī)需要大量的量子比特關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)行量子邏輯門操作，這就不得不面對(duì)“退相干”的難題。

退相干現(xiàn)象來自外界環(huán)境對(duì)量子態(tài)的擾動(dòng)，使量子態(tài)逐漸演化到經(jīng)典的狀態(tài)，失去量子疊加特性。越大的系統(tǒng)各種內(nèi)部和外部的相互作用越多，也就越難維持量子態(tài)。退相干發(fā)生得也就越快。這就是為什么能觀察粒子的疊加態(tài)，卻觀察不到薛定諤貓的疊加態(tài)，因?yàn)樨堖@么大的系統(tǒng)會(huì)以極快的速度發(fā)生退相干，只留下經(jīng)典的死或活狀態(tài)。退相干在量子和經(jīng)典世界間建立了一條鴻溝。

量子邏輯門的各種物理實(shí)現(xiàn)方案中，有的可維持較長的退相干時(shí)間，卻無法做到很多的量子比特關(guān)聯(lián)(如離子阱[4]，核磁共振)。有的反之可以做大，但退相干時(shí)間過短(如超導(dǎo)電路[5]，量子點(diǎn))。相比之下，后者看似更有希望通過延長退相干時(shí)間取得突破，實(shí)現(xiàn)可用的量子計(jì)算機(jī)。

Google公司資助的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片。圖片來源：美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校

 量子計(jì)算機(jī)與人工智能

英國物理學(xué)家羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)把依靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)的人工智能稱為“皇帝新腦”(即像皇帝的新衣一樣)。他認(rèn)為人腦不會(huì)像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣以確定的方式處理信息，但量子測量會(huì)賦予人腦隨機(jī)性，同時(shí)量子疊加態(tài)還會(huì)賦予人腦全局觀(一個(gè)一個(gè)像素處理的經(jīng)典計(jì)算做不到全局觀)，因此彭羅斯認(rèn)為，人腦是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，并且和神經(jīng)學(xué)家斯圖亞特·哈默羅夫(Stuart Hameroff)給出了模型。

彭羅斯的假說很吸引人，但是麻省理工的物理學(xué)家麥克斯·特格馬克(Max Tegmark)計(jì)算出，室溫下彭羅斯模型的退相干時(shí)間只有10-15秒量級(jí)，遠(yuǎn)不夠進(jìn)行量子計(jì)算。爭論仍在持續(xù)，這個(gè)假說的證據(jù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。也許量子計(jì)算機(jī)的研究能在某個(gè)量子和經(jīng)典的交匯點(diǎn)上給出答案，解答人類意識(shí)和智慧的起源。那樣，量子計(jì)算機(jī)就會(huì)成為實(shí)現(xiàn)真正的人工智能的關(guān)鍵。

基于以上原因，量子計(jì)算機(jī)一旦實(shí)現(xiàn)，會(huì)成為人類歷史上最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一。量子計(jì)算機(jī)的研究任重道遠(yuǎn)，目前仍然處于燒錢研發(fā)階段。很多人不理解巨額投入的價(jià)值，但回想一下，我們現(xiàn)在手中用到的便利廉價(jià)的信息技術(shù)，都源自于上世紀(jì)五六十年代以貝爾實(shí)驗(yàn)室為首的科研機(jī)構(gòu)長期燒錢的結(jié)果。未來我們的子孫很可能用著量子手機(jī)和智能機(jī)器人，在量子互聯(lián)網(wǎng)上感謝著我們這個(gè)時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的投入。