郭光灿院士:我们距离量子计算机还有多远?

2024-01-29 592 0

郭光灿院士:我们距离量子计算机还有多远?


中国科学院院士、中国科学技术大学教授 郭光灿


在近日举行的“瞰见未来”2024复旦管院新年论坛上,中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿发表《引爆“第二次量子革命”的世纪争论》主题演讲,在回溯量子力学发展沿革中,分享量子技术最新进展,展望第二次量子革命的前景未来。


01

量子力学“幽灵”与世纪争论


爱因斯坦和玻尔的第一场争论始于1927年10月的“第五届索尔维会议”。这场会议有29位世界著名科学家出席,包括居里夫人、普朗克等,其中有17个人先后获得诺贝尔奖,可见会议规格之高。


会议的核心议题是量子力学,而会议的主角是爱因斯坦。爱因斯坦的立场是向量子力学提出挑战,他的挑战对象是建立量子力学哥本哈根学派的玻尔。双方在3年后的第六次会议上还展开了第二场争论,两次交锋均以爱因斯坦的失败告终。


爱因斯坦指出,量子力学中存在一种“特殊”的超距作用。自此,爱因斯坦挑起物理学近90年的一场历史性学术争论,极大推动了量子力学的深刻发展。


1935年,爱因斯坦在《物理评论》上发表了一篇由他和两位年轻人共同完成的文章,也就是历史上著名的“EPR佯谬”,文中讲述了什么是“特殊超距作用”。


EPR的思想实验详细阐明了爱因斯坦心目中的这种“特殊超距作用”。设想有两个量子客体A和B,其自旋要么向上,要么向下。自旋总是相反的两粒子系统,在实验上可制备,按照量子力学理论,如果单独测量A或B的自旋,有50%概率向上,50%概率向下;如果将A和B分别发送到地球和月球上,A与B之间就会存在“幽灵般”的超距作用。


在地球上测量A的自旋,结果是向上,那么月球上的B的自旋不管测量还是不测量,其自旋“即时”为向下。爱因斯坦认为,这个现象绝对不会发生,因为从测量A的“因”,不可能瞬时导致B的自旋变为向下。但量子力学预言这个现象必定会发生,因此他称之为“幽灵”超距作用。


爱因斯坦指出,量子力学中出现不可能存在的“幽灵”,这表明“量子力学不完备”,该理论不足以描述真实的物理实在。应当用更合适的理论替代它,即所谓“隐参数理论”。引进隐参数便可以“消除”这个“幽灵”。


02

跨越90年解决世纪难题


世界究竟是遵从量子力学还是隐参数理论?这是个富有“哲学”意味的辩题。30多年之后,解决这个重大争论的人出现了,正是爱因斯坦的崇拜者贝尔(John Bell)。


1964年,贝尔在美国加利福尼亚州出差时,利用业余时间研究爱因斯坦与玻尔的历史性争论,并且在一本不起眼的刊物《物理》上发表了一篇在历史上具有重要意义的文章——《论EPR佯谬》。


贝尔做了两点假设:一、局域性。没有任何相互作用的客体不会相互影响,或者说不存在超光速的关联。二、实在论。测量之前存在有客观实体。在这两点假设下,贝尔推导出,EPR佯谬的实验必定满足某个不等式,即贝尔不等式。


贝尔不等式是什么意思?如果这个不等式永远成立,那就证明量子力学是不完备的,要用隐参数理论来替代量子力学。如果实验上发现贝尔不等式被违背了,那就说明爱因斯坦错了,量子力学是完备的,“幽灵”是存在的。


1972年时,美国实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽最早把根据贝尔不等式进行实验,遗憾的是当时仪器太过粗糙。到了1982年,法国物理家阿兰·阿斯佩的实验得到公认,贝尔不等式被违背,但仍存在漏洞。2015年,荷兰代尔夫特大学物理学家罗纳德·汉森团队完成无漏洞的贝尔不等式违背实验。


2022年,诺贝尔物理学奖同时颁发给阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和奥地利物理学家安东·塞林格,以表彰他们“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式,开创了量子信息学”。至此,这场历经90年的讨论有了最后的答案。


03

量子纠缠与“超光速”无关


贝尔不等式违背说明贝尔发表的两个假定,要么一个错,要么两个都错。根据结论,实在性没有问题,问题出在局域性的假定应该是非局域性的。贝尔定理即是如果一个理论是局域性的,那么它将与量子力学的预言相冲突,任何与量子力学一致的理论都必须是非局域性的。简而言之,量子世界是非局域性的。

局域性是指物理客体如果不相互作用,不会相互影响。例如一个在地球,一个在月球,就不应该互相影响。经典世界是局域性的,量子世界是非局域性的,非局域性就是没有相互作用也会相互影响。


为什么没有相互作用也会相互影响?两个物体有关联就会互相影响。例如,母女是一种身份关联,如果女儿生了孩子,身份会变化成为母亲,而当她的身份发生变化,她的母亲会自动变成外婆,身份也随之改变。这就是因为母女身份的关联导致一个身份变了,另外一个身份同时改变,这个变化是瞬时的,不需要传送任何信息就可以改变,所以关联是互相影响的,量子世界也是这样。


“EPR佯谬”是一个关联,我们要求A和B两个粒子自旋总是相反,这就意味着这两个粒子的自旋,物理量是关联的,关联就会互相影响,所以A的自旋发生变化,B马上也会变化,这种量子关联就叫“纠缠态”。


“纠缠态”就是关联,关联会导致瞬时变化,不需要传送任何信息。很多科普文章说“纠缠”就是超光速,这是完全错误的。纠缠来自于关联,关联的变化不需要传送信息,也就不存在超光速。


例如说A和B处在“纠缠态”,两个自旋总是相反,物理要求让它们关联起来。测量A向上,B瞬时就发生向下;如果测量B向上,A瞬时也发生向下,这之间存在先后。如果同时测量A和B的自旋,由于同时测量没有因果关系也就没有先后,则必然出现以下两种情况的一种:要么A向上B向下,要么A向下B向上。


如果有100对“纠缠态”的粒子,100个A放在地球,100个B放在月球,同时测量所有的A和B,测量以后会出现什么情况?地球上测量A,向上向下是随机数。月球上的B也是随机数,看起来好像没有关系,实际上,这两个随机数是完全关联的。单看随机数是随意的,但两个进行比较一定是关联的,而且是严格的关联。


何为“关联”?在A向上的位置上所对应的B一定向下,在A向下的位置上所对应的B一定向上,因为它们一定相反,所以这两个都是完全关联。AB自旋总是相关,纠缠的本质就是量子关联。利用这个特性,可以用来做一件有意义的事——量子密码。一对一对的发生纠缠对,例如一对到Alice,一对到Bob,同时测量向上向下的自旋,最后得到的是两个完全一样的随机数,就可以作为密码。


量子世界的非局域性导致EPR实验中“幽灵”的产生,这“幽灵”就是量子纠缠,其物理本质就是“量子关联”。量子力学是完备的,“局域隐参数理论”是不成立的。量子没有错,错的是不了解量子世界非局域性的量子关联,正是量子关联导致“幽灵”出现。


04

人类距离量子计算机还有多远?


随着世纪争论落下帷幕,量子信息诞生了,人类社会进入第二次量子革命的新历史时期。第一次量子革命伴随量子力学的诞生而来,让我们拥有了电脑、手机、互联网等经典技术。量子信息则带来了量子计算机、量子传感,量子技术的出现来源于量子原理,但技术本身是量子的,所以我们称为第二次量子革命。


第二次量子革命产生的最重要的技术就是量子计算,这是一项颠覆性技术。量子计算机如果得到普遍应用,人类社会将发生翻天覆地的变化。算力会提高到新的层次,量子算力会以指数级增长超越现有的经典算法,超越现在的超级计算机。


量子计算机可以实现超级计算机无法完成的工作。例如,现在的动态密钥电子计算机无法破解,但量子计算机可以。如果把量子算力加上人工智能,10年以后就会诞生量子人工智能的新学科,量子算力的提高是量子信息发展里最重要的影响。


在研究量子计算机的过程中,还面临两大主要障碍。第一个是“消相干”问题。量子计算机是宏观的量子器件,环境不可避免地破坏量子特性,称之为“消相干”,它会导致量子计算机自动地变成经典计算机,丧失并行运算能力。为了应对环境破坏下计算可靠的问题,科学家提出“容错纠错编码原理”,理论上可确保在消相干环境中量子计算机能可靠正确运行,但实际技术很难做到。


第二个困难是人类尚未掌握精确操控量子状态和演化的技术,因此无法制备和精确操控量子比特数较多的量子芯片。


用于量子信息存储的量子编码是将有噪声的若干量子物理比特,变成一个没有噪声的逻辑比特。噪声会带来计算错误,用无噪声的逻辑比特作为处理数据单元,数据就能保持完整。


这个编码实际上是把N个量子比特变成一个特殊的“纠缠态”,这个“纠缠态”的整体叫逻辑比特。用逻辑比特作为信息的处理单元,就是没有噪声的信息信号,这就是量子容错。如果量子比特的质量好,保真度高,那么编一个逻辑比特所需要的物理比特量就少,这就是保证量子编码的原理。


容错编码可以用于纠正操作过程的错误。当操作的精度高于某个阈值,如99.999%,可以纠正操作过程的错误,使得即使在错误环境中仍可获得可靠结果。通过量子计算机必须采用“编码容错”技术才能确保计算的可靠性。理论上可以实现,但现在我们的技术还达不到。


通用量子计算机需要约1000个逻辑比特,每个逻辑比特由约1000个物理比特编码而成,因此,通用量子计算机需要百万级量子比特。虽然距离技术实现还有很远距离,但我们的进步非常快。


2016年,IBM公布了全球首个量子计算机在线平台,搭载5位量子处理器,用6个量子比特创造荧光,是人类历史上第一次真正将量子处理器作为实际应用。2019年,IBM又推出全球首套商用量子计算机,命名为IBM Q System One。


2024年1月6日,中国第三代超导量子计算机“本源悟空”上线运行。该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯 ”(共198个量子比特,包含72个工作量子比特和128个耦合量子比特),是目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。这是在受到西方国家严格制裁下,完全自主可控研发的产品。


“本源悟空”上线后影响很大,全世界有90个国家的64万人访问了云计算,其中有9万人带着问题在计算机上运行,现在已经完成了8万个项目。我国的量子计算水平目前位于国际第一梯队,但与美国还有差距,日本、德国等正努力赶上,我们还要继续努力。


美国最近有两个非常重要的进展,第一个是IBM使用分块联接的方式扩展量子比特,发布了第一个1000量子比特量子芯片。第二个是哈佛大学米哈伊尔·卢金研究组发布了第一台基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器,成功在一个具有280个物理量子比特的系统中,制备48个逻辑量子比特,为开发真正可扩展和容错的量子计算机奠定了基础。


量子计算已从仅追求量子比特的增加进入到研发“逻辑量子比特”的新阶段。当然,距离实现通用量子计算机还有相当长的路要走。如果将量子计算发展看作一个人的成长,那现在我们大概还在七八岁左右。



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