量子计算的未来——清华大学交叉信息研究院院长姚期智院士专访

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近年来，量子计算和量子计算机在科学界和工业界都引起了大量关注。科学家们期望利用材料的量子性质，来打破传统计算机小型化的摩尔定律，进而建立起新型的量子计算机。量子计算这一概念是著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在1981年首先引入的。该领域的早期创始人之一，图灵奖获得者姚期智先生在1993年曾为量子计算理论基础的建立做出过核心贡献。2011年，姚期智创建清华大学量子信息中心（CQI），旨在将后者打造成为世界级的量子计算研究中心。在近期与《国家科学评论》（National Science Review, NSR）的一次对话中，姚期智细数了量子计算的历史，并表达了他对该领域未来发展的看法。他认为，量子计算机擅长的任务包括新材料设计、药物设计以及化学反应模拟等方面，但在传统计算机已经被证明高效的领域，是不太可能取而代之的。

NSR：量子通信和量子计算受到媒体的广泛关注。二者是两个不同的概念吗？

姚期智：量子通信和量子计算是两个相互关联，但是彼此独立的概念。量子计算所需的技术更为高级。驱动量子通信发展的主要目标是为保密通信建立密码学保障，在量子通信中，从一地到另一地的待传送信号不必是高度准确的。但量子计算却要求信号的高准确性。在过去十几年中，谷歌等大型公司开发出了一些量子计算相关的新兴技术。一般的看法是，可用的技术将在未来五六年中出现。量子计算的理论基础在20年前就已经建立了，现在的问题是如何实现它。

NSR：量子计算已然成为热点话题。它的基本原理是什么？

姚期智：半导体电路小型化的快速发展使得传统计算机的性能不断提升。然而，这个小型化存在一个固有极限——当芯片上电路元件的尺寸缩小到纳米尺度时，量子力学效应将会占据主导地位，并影响元件的性能。这将是摩尔定律的终点。

对于传统计算机来说，这是不可避免的命运；但是科学家们已经开始考虑，能否把这种情况下有害的量子现象转变为有益的——构建一个利用由薛定谔方程描述的量子力学逻辑进行计算的计算机，而不再是利用布尔逻辑进行计算的传统计算机。量子计算机这个理念是费曼在1981年首次提出的。他说，原则上，人们可以设计一种计算机，该计算机通过量子力学特性来工作，模拟量子系统并采用量子方程得到解。费曼的这个理念在学术领域引起了很大重视。

传统计算机通过集成电路利用双值布尔逻辑（0和1）发挥功能。其计算是：把由比特表示的输入点映射到更高层次，通过多重映射，得到输出点以提供最终解。然而，量子计算机的量子比特可以表示1、0或者这两个态的任意叠加。量子计算机系统的计算类似于固体的旋转；在这个类比中，量子计算机的计算结果类似于测量固体旋转所得到的读数（旋转角度可以是连续的任意角度）。传统计算机的一个操作，对应一个确定的路径；量子计算机的一个操作，可以沿着多个计算路径进行，而最终达到的是同一个目标，因为量子波函数允许在同一时刻存在多个态。这个现象就是量子并行性。量子并行计算是量子计算机的速度可以远快于传统计算机的关键原因。

NSR：就硬件设计而言，传统计算机与量子计算机的主要区别是什么？

姚期智：量子计算机是一个相对闭合的系统，其计算几乎能够做到瞬时完成。基本上，量子计算机表现得十分“羞怯”：一经查看，计算就会被打断并停止。此外，量子计算机是非常复杂的系统，其涉及到多重前沿性技术。例如，量子计算机的存储单元、多个单元之间的通信、量子比特态的调制等，都需要用到激光器。就量子计算机的材料与制造工艺而言，其不仅代表着过去三四十年中诸多先进技术的集成，还涉及到各学科间的紧密合作。

NSR：量子现象的不确定性会影响量子计算的精度吗？

姚期智：会的，但是一个不确定的答案并不一定是错误的。事实上，有些量子计算总是能够得出正确的答案。而且就实际计算而言，有一些误差是可以被接受的，无需100%精确。

NSR：量子计算机的概念早在1980年代初期就已经出现，但在之后几十年中似乎进展缓慢。

姚期智：的确如此。在费曼提出这一理念后，主要是物理学家在进行深入的理论探索。直到上世纪90年代初期，在物理学家基本上阐明了量子计算机的运行机制后，计算机科学家才开始进入这一领域——我本人也是其中之一。1994年，贝尔实验室的Peter Shor设计了破解密码的量子计算算法，引发了计算学界的广泛兴趣，美国政府和美国宇航局开始投入这一领域。多个相互竞争、尝试制造第一台实际量子计算机的研究团队也开始出现。

NSR：从那时开始，主要的进展有哪些？

姚期智：自那之后的主要工作是对实现量子计算机的方案进行探讨和选择。在过去十几年里，为制造量子计算机，科学家们尝试了各种材料，例如离子阱、超导体和钻石。最近，拓扑绝缘体也因其自身优异的可校正功能而成为备选之一。但是前面还有很长的路要走，主要困难之一是保持功能态的超低温度。

NSR：您认为第一台量子计算机将在何时出现？

姚期智：许多人预测第一台量子计算机将在未来五六年中出现，但我认为，要制造出能够在数千量子比特水平上进行可靠计算的量子计算机，绝非易事。谷歌和IBM等大公司都在量子计算机研发上斥入巨资。特别是谷歌，它招募了该领域中最重要的专家John Marinis以及他在加州大学圣芭芭拉分校的整个团队。

NSR：在您的倡议下，清华大学在2011年建立了量子信息中心（CQI），这个中心的目标是什么？

姚期智：我们的目标是打造量子信息的世界级中心，并为该领域培养下一代科学家。因此，我们的当务之急就是招募高质量研究人员，例如我们招募到的美国密西根大学费米讲席教授段路明。过去几年里，他在我们中心做出了优秀的工作。

NSR：采用钻石系统的优势是什么？

姚期智：钻石系统有两个优点：其一，它可以在室温下运行；其二，它具有固态晶体结构，如果系统能在几个量子位水平表现良好，就有可能扩展到更大的尺度。除了钻石系统，我们中心也在进行离子阱、超导体和光子网络的研究，而且正在做出很好的进展。

NSR：量子计算机性能卓越，它们是否将会替代传统计算机？

姚期智：我认为传统计算机和量子计算机将会共存，因为二者各具优势。传统计算机具有量子计算机尚不具备的准确性和成熟度。但相比于传统计算机，量子计算机将在解决涉及量子力学效应的问题上具备优势。例如，在材料设计、药物研发和物理化学领域，量子计算机将会展现出优势，而使用传统计算机则很难解决这些问题。

NSR：量子计算机的硬件和软件都与传统计算机有很大不同。目前的主要挑战是什么？

姚期智：量子计算是一个典型的跨学科领域，需要相关领域的科学家与工程师密切合作，尤其是量子物理学家与计算机科学家之间的合作。算法的突破将激发硬件的改进，反之亦然。例如，我在上文中所提到的Peter Shor教授，他不仅证明了量子计算可以解决密码破解的问题，还解决了量子计算中的误差修正问题。正是基于他的这一研究，物理学家们开始确信量子计算机的可行性。而当量子计算机发展到一定阶段，将会需要计算机科学的变革。传统计算机的数据存储、运算系统和编程语言都需要被重新设计。目前尚不清楚这将怎样完成，但这是一个重要的研究方向。许多IT行业的领军公司早已构建了大量的项目来发展量子软件。

量子计算方法和算法的研究是一个具有巨大潜力的领域。过去数十年中已经出现了多个优雅的计算方法，理论上都很有吸引力。我希望看到更多与实际相契合的量子计算方法出现，诸如用于材料设计的方法。

NSR：量子计算机似乎需要科学和制造技术的共同发展？

姚期智：没错。我已经强调过，在中国，制造量子计算机的重要性远远超过只研究量子计算——因为这将带动相关技术行业的发展。这种大工程将激发科学家和工程师的潜力，他们会为了求解特定问题而创造出新方法和新技术，这些方法和技术可以在工业发展、国家安全等诸多领域中作出有益于社会的贡献。

在进行实际实验时，还会有一些眼前的顾虑。例如，适合于量子计算机的钻石材料依赖于国外进口。当竞争变得更加激烈，其他国家可能会拒绝将材料出售给我们。如果我们不自力更生发展这些材料，未来将很容易受到限制。另外，在该领域工作，无法在短期内发表个人评价和职位晋升所需的文章。除非我们改变现有的评价体系，否则很难激励研究人员从事这种基础性研究工作。这些都导致了我们目前仍然依赖于进口的材料和技术。