量子計(jì)算的魅力

量子計(jì)算的魅力

2024國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)花落中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)的“多光子糾纏及干涉度量”。該討論將利用量子力學(xué)原理對(duì)信息的計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸和規(guī)律操作供應(yīng)一種全新方式

2024年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)

2024年1月8日，潘建偉院士、彭承志教授、陳宇翱教授、陸朝陽(yáng)教授、陳增兵教授組成的5人團(tuán)隊(duì)獲得了2024年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，并在人民大會(huì)堂接受頒獎(jiǎng)。5位老師均來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)高校，他們是該獎(jiǎng)項(xiàng)歷史上最年輕的獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)，其中潘建偉、彭承志、陳增兵3位老師為70后，而陳宇翱和陸朝陽(yáng)兩位老師為80后。

國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)是中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，許多耳熟能詳?shù)睦弦惠吙茖W(xué)家都名列其中。但是因2024年獲獎(jiǎng)的“透亮?????計(jì)算”存在較大爭(zhēng)議，2024年急需一個(gè)眾望所歸的團(tuán)隊(duì)來(lái)重新樹(shù)立該獎(jiǎng)項(xiàng)的聲譽(yù)。恰好2024年初潘院士團(tuán)隊(duì)作為最大熱門(mén)參與了該獎(jiǎng)項(xiàng)的評(píng)比，并最終毫無(wú)懸念地獲獎(jiǎng)。

這次潘建偉院士團(tuán)隊(duì)獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目名稱(chēng)為“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”?！岸喙庾蛹m纏”顧名思義就是讓多個(gè)光子產(chǎn)生糾纏，這是利用光子做量子比特傳送和量子計(jì)算的必要前提;而“干涉”就是試驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)多光子糾纏的手段。潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在量子通信和量子計(jì)算等多個(gè)方向上都取得了世界領(lǐng)先的科研成果，“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就作為其核心討論內(nèi)容之一，貫穿始終。

潘建偉院士的團(tuán)隊(duì)是世界上量子信息討論的領(lǐng)軍者之一，在量子通信領(lǐng)域更是世界最強(qiáng)。與以往的歷屆國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)相比，潘建偉團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)論文數(shù)量和國(guó)際影響力上都更為出類(lèi)拔萃。截止到2024年，該團(tuán)隊(duì)成果3次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)比的“年度物理學(xué)重大大事”，2次入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)比的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”。2024年年末更是被物理世界網(wǎng)站（Physicsworld）評(píng)比為“2024年世界物理學(xué)十大進(jìn)展”第一名，這在中國(guó)物理學(xué)界史無(wú)前例。

量子糾纏

介紹“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”，首先需要介紹一下什么是量子糾纏。量子力學(xué)中最神奇的就是疊加態(tài)，而量子糾纏就是多粒子的一種疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個(gè)粒子A可以處于某個(gè)物理量的疊加態(tài)，同時(shí)另一個(gè)粒子B也可以處于疊加態(tài)，當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏，就會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)，即糾纏態(tài)：無(wú)論兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒(méi)有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時(shí)，B粒子肯定處于1態(tài);反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時(shí)，B粒子肯定處于0態(tài)。

隨著量子信息學(xué)的誕生，量子糾纏已經(jīng)不僅僅是一個(gè)基礎(chǔ)討論，它已經(jīng)成為量子信息科技的核心：例如，利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態(tài)，可以完成一次性操作多個(gè)量子比特的量子計(jì)算。讓更多的粒子糾纏起來(lái)是量子信息科技不斷追尋的目標(biāo)。

多光子糾纏和干涉度量學(xué)

“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就是通過(guò)干涉度量的方法實(shí)現(xiàn)多光子的量子糾纏。假如這種把雙光子干涉產(chǎn)生糾纏的方法層層累加，擴(kuò)展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。針對(duì)量子信息處理尤其是光量子計(jì)算的需求，糾纏的光子數(shù)自然是越多越好。但是隨著產(chǎn)生糾纏的光子數(shù)越多，干涉和測(cè)量的系統(tǒng)也就越簡(jiǎn)單，試驗(yàn)難度也就越大。

潘建偉團(tuán)隊(duì)從2024年開(kāi)頭，通過(guò)在國(guó)際上原創(chuàng)的多光子干涉和測(cè)量技術(shù)，始終保持著糾纏光子數(shù)的世界紀(jì)錄。2024年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了5光子糾纏，2024年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了6光子糾纏，2024年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了8光子糾纏，并且保持該紀(jì)錄至今。

每增加一個(gè)糾纏光子，光學(xué)干涉系統(tǒng)就要簡(jiǎn)單一倍，糾纏產(chǎn)生的難度會(huì)隨著光子數(shù)呈指數(shù)上升。這個(gè)8光子糾纏光路就像“潘神的迷宮”一樣簡(jiǎn)單，精致，困難重重，但又引人入勝。

量子計(jì)算的應(yīng)用

1.量子疊加態(tài)的計(jì)算魅力。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。由于處于疊加態(tài)，這就意味著，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(lèi)推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)是2的指數(shù)增長(zhǎng)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)。假如單次運(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(wàn)億次）的545萬(wàn)億倍。

量子力學(xué)疊加態(tài)給予了量子計(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(lái)并行。因此在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)需求劇烈的今日，量子計(jì)算機(jī)越來(lái)越獲得互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

2.肖爾算法――RSA加密技術(shù)的終結(jié)者。1985年，牛津高校的物理學(xué)家戴維?德意志提出了量子圖靈機(jī)模型的概念。隨后貝爾試驗(yàn)室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計(jì)算的第一個(gè)解決詳細(xì)問(wèn)題的思路，即肖爾因子分解算法。

我們今日在互聯(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，從而平安地傳輸密碼。由于這個(gè)數(shù)很大，用目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度算出它的質(zhì)數(shù)因子幾乎是不行能的任務(wù)。但利用量子計(jì)算的并行性，肖爾算法可以在很短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)遍歷算法來(lái)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)算簡(jiǎn)單度的加密技術(shù)，但這不意味著從今我們會(huì)失去信息平安的愛(ài)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)钠桨搽[患。

3.格羅弗算法――將來(lái)的搜尋引擎。肖爾算法提出一年后的1996年，同在貝爾試驗(yàn)室的洛夫?格羅弗提出了格羅弗算法，即通過(guò)量子計(jì)算的并行力量，同時(shí)給整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)做變換，用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。

量子計(jì)算的格羅弗搜尋算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)搜尋速度，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)代的搜尋引擎將植根于格羅弗算法，讓我們更快捷地獵取信息。

4.量子計(jì)算機(jī)與人工智能。英國(guó)物理學(xué)家羅杰?彭羅斯把依靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)的人工智能稱(chēng)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(cè)量會(huì)給予人腦隨機(jī)性，同時(shí)量子疊加態(tài)還會(huì)給予人腦全局觀（一個(gè)一個(gè)像素處理的經(jīng)典計(jì)算做不到全局觀）。因此彭羅斯等人認(rèn)為，人腦可能是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。或許量子計(jì)算機(jī)的討論能在某個(gè)量子和經(jīng)典的交匯點(diǎn)上給出答案，解答人類(lèi)意識(shí)和才智的起源。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。

5.獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)的量子通信和量子計(jì)算應(yīng)用。盡管“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”獲得了國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，但這僅僅是潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的一部分工作。2024年，該團(tuán)隊(duì)擔(dān)當(dāng)研制的世界首顆“量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星”將放射升空，實(shí)現(xiàn)世界首個(gè)星地間的量子保密通信和量子比特傳送。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)建設(shè)的世界首個(gè)量子保密通信主干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”也即將建成，推動(dòng)量子保密通信進(jìn)入軍事、銀行、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等各個(gè)行業(yè)之中。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)不久前和阿里巴巴合作成立了“中科院―阿里巴巴量子