[科普中國(guó)]-中科院研究員丁洪：量子計(jì)算機(jī)前景可期，算力翻億倍并非天方夜譚

2019年5月25日，“未來論壇深圳技術(shù)峰會(huì)”在深舉辦，全球范圍內(nèi)數(shù)十名卓有建樹的科學(xué)家、企業(yè)家、投資人和創(chuàng)業(yè)者應(yīng)邀參會(huì)，分享科技前沿成果，探討學(xué)科交叉與學(xué)術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。會(huì)議期間，騰訊科普對(duì)首屆未來論壇科學(xué)家委員會(huì)主席、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員丁洪進(jìn)行了采訪。丁洪從社會(huì)公益角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)了未來論壇“傳播科學(xué)精神、提高公眾科學(xué)素質(zhì)、促進(jìn)科學(xué)發(fā)展”的宗旨；還從凝聚態(tài)物理的基本概念“準(zhǔn)粒子”出發(fā)，介紹了當(dāng)下熱門的量子計(jì)算機(jī)的工作原理與應(yīng)用前景，表達(dá)了對(duì)科技發(fā)展的信心。圖：中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、北京凝聚態(tài)物理研究中心首席科學(xué)家丁洪（攝于深圳技術(shù)峰會(huì)）作為最早加入未來論壇的幾位科學(xué)家之一，丁洪研究員是首屆未來論壇科學(xué)家委員會(huì)主席，也是本屆未來論壇年會(huì)的組織委員會(huì)主席。丁洪稱，對(duì)于未來論壇的活動(dòng)自己一向很積極，這次來到深圳很高興，以前未來論壇活動(dòng)基本上是在北京，這次放在深圳，也體現(xiàn)了深圳的活力，特別是科技創(chuàng)新的活力。未來論壇作為公益組織，宗旨是通過大眾科普、獎(jiǎng)勵(lì)科學(xué)，促進(jìn)科學(xué)發(fā)展和傳播科學(xué)精神，并且鼓勵(lì)青少年關(guān)心科學(xué)、加入科學(xué)?！吧鐣?huì)不斷發(fā)展，資本從前期的注重技術(shù)轉(zhuǎn)化，到現(xiàn)在開始在科學(xué)產(chǎn)出的初期介入，更好地促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展以及科研成果項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化。未來論壇則更多是從本源來做，主要是支持和鼓勵(lì)青少年參與科學(xué)、提高國(guó)民的科學(xué)素質(zhì)?！倍『檎f，通過企業(yè)家、投資家、科學(xué)家共同努力，是非常有益的。關(guān)于量子計(jì)算機(jī)說到基礎(chǔ)研究向技術(shù)的轉(zhuǎn)化，記者問到當(dāng)下熱門的量子計(jì)算機(jī)的話題。這也是丁洪研究員的一個(gè)相關(guān)研究課題。對(duì)于其中的一些基本概念，例如“量子比特”、“拓?fù)淞孔佑?jì)算”等，丁洪研究員給出了通俗的解釋?！皽?zhǔn)粒子”與“基本粒子”相互借鑒量子計(jì)算機(jī)運(yùn)用量子的疊加和糾纏特性作計(jì)算，其中涉及到凝聚態(tài)物理中“準(zhǔn)粒子”的概念。這是和高能物理中的基本粒子（如電子、光子、中微子等）相對(duì)應(yīng)的一個(gè)概念。它們都可以具備量子疊加和糾纏特性，因此都能作為量子信息的載體。丁洪說，以前認(rèn)為準(zhǔn)粒子和基本粒子的區(qū)別是非常大的，準(zhǔn)粒子比如說一個(gè)材料中你敲一下它會(huì)振動(dòng)，振動(dòng)是整個(gè)材料波的傳播，人們可以把它量子化稱為聲子，聲子就是準(zhǔn)粒子，描述整個(gè)材料的振動(dòng)。準(zhǔn)粒子只是一個(gè)數(shù)學(xué)化能量的方法。“現(xiàn)在人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到，我們可以把材料看成一個(gè)宇宙叫做固體宇宙，也可以把宇宙看成一個(gè)材料。”宇宙所謂的真空是不空的，真空中間可以產(chǎn)生正負(fù)粒子對(duì)，所以真空也可以看成是一種材料?！斑@樣的意義上，準(zhǔn)粒子和基本粒子就非常等同，可以認(rèn)為基本粒子是宇宙材料的準(zhǔn)粒子，從這樣理解的話，現(xiàn)在我們?cè)絹碓揭庾R(shí)到凝聚態(tài)和高能物理越來越多借鑒?！倍『檎f到?！傲孔颖忍亍北取敖?jīng)典比特”包含更多信息在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，使用電子傳遞信息，信息量的最小單位稱為“比特”。而在量子計(jì)算機(jī)中也有類似的概念“量子比特”，由具有量子特性的（準(zhǔn)）粒子承載。這具體是個(gè)什么樣的概念呢？丁洪說，經(jīng)典計(jì)算用的經(jīng)典比特代表0和1（由電位決定），要么是0、要么是1，通過0和1的排列組合可以代表任何數(shù)字。量子計(jì)算機(jī)用的是量子比特，量子比特也有1，但也有0和1之間的任意組合（由量子態(tài)決定），線性組合，用的是量子疊加的原理。它并不是只代表0和1之間一個(gè)態(tài)，它代表所有的可能態(tài)，丁洪強(qiáng)調(diào)說。這樣運(yùn)算的時(shí)候用量子比特把所有的可能態(tài)都一起運(yùn)算，有可能大大地增加計(jì)算力、計(jì)算速度，基本的原理是不同的。用量子疊加原理進(jìn)行并行計(jì)算，比經(jīng)典計(jì)算快非常多。據(jù)悉，只要50個(gè)量子比特，其運(yùn)算能力就可超過現(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)?！傲孔蛹m纏”幫助實(shí)現(xiàn)“并行計(jì)算”既然量子計(jì)算比經(jīng)典計(jì)算有這樣大的優(yōu)勢(shì)，目前量子計(jì)算機(jī)為何還沒有投入應(yīng)用呢？開發(fā)中有哪些問題？丁洪說，量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)也是它最大的問題，就是它可以把所有的量子態(tài)糾纏在一塊進(jìn)行運(yùn)算，像薛定諤的貓。薛定諤說，貓如果是量子態(tài)，貓的狀態(tài)是可以介于生和死之間，生死不定，這樣可以進(jìn)行并行運(yùn)算。但是一旦人去看，貓的量子態(tài)就被破壞了（波函數(shù)坍縮），要么是死要么是活。所以量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算的時(shí)候不能看（觀測(cè)），整個(gè)外界不能和它有耦合和影響，這是非常難做到的。量子退相干作用是非常嚴(yán)重的，要和外界隔開，特別要在極低溫，接近絕對(duì)0度，即負(fù)273度的低溫情況下隔絕，一般量子比特要這樣做才有可能做成量子計(jì)算機(jī)，丁洪說道，還有一種辦法就是使用其它的量子比特去保護(hù)需要計(jì)算用的量子比特，去對(duì)抗外界干擾，但做起來就很復(fù)雜。那還有沒有其他方法呢？“馬約拉納任意子”形成“拓?fù)浔Ｗo(hù)”2018年8月份丁洪課題組和合作者發(fā)表了一項(xiàng)重要研究——在鐵基超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納任意子。 馬約拉納任意子是一種性質(zhì)和馬約拉納費(fèi)米子相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)粒子，具有微觀粒子的基本量子特性。其一個(gè)潛在用途就是作為拓?fù)淞孔颖忍氐妮d體，用在未來的量子計(jì)算機(jī)中。相比其他的粒子，它有什么獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)呢？丁洪介紹說，量子計(jì)算機(jī)和外界有接觸的話需要有其它大量的量子比特保護(hù)，這是非常難做到。但還有另外一種方法，就是用拓?fù)淞孔佑?jì)算。拓?fù)淞孔佑?jì)算就是把一個(gè)量子比特劈成兩半，變成兩個(gè)糾纏的半個(gè)量子比特。半個(gè)量子比特分開就是非常穩(wěn)定的，不容易被環(huán)境噪聲所影響，也就不會(huì)發(fā)生退相干。用馬約拉納任意子做量子計(jì)算，就是把一個(gè)量子比特劈成兩半，用半個(gè)量子比特做計(jì)算，運(yùn)作完了以后再把半個(gè)量子比特合成一個(gè)量子，這樣，既可以參與量子計(jì)算，又不受外界環(huán)境噪音干擾。“我們做的就是發(fā)現(xiàn)了一種新的途徑，能夠在簡(jiǎn)單的單質(zhì)材料中找到很純的馬約拉納任意子?！倍『檎f道。那馬約拉納任意子為什么會(huì)有這種特性呢？丁洪解釋說，馬約拉納任意子是一種非常奇妙的新粒子，它和其他粒子不一樣。以前我們認(rèn)為在宇宙中、固體中，粒子只有兩種，一種是玻色子（如光子，無反粒子），一種是費(fèi)米子（如電子，有反粒子）。馬約拉納任意子是在兩者之間的新的粒子（其反粒子是其本身），遵循一種新的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，叫非阿貝爾統(tǒng)計(jì)，這種統(tǒng)計(jì)能保護(hù)這些量子計(jì)算的穩(wěn)定性。“用馬約拉納任意子做成拓?fù)淞孔颖忍?，其意義相當(dāng)于對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的三極管，拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的三極管就是用馬約拉納任意子做的拓?fù)淞孔颖忍亍！倍『榇蛄藗€(gè)比喻說。量子計(jì)算機(jī)前景可期對(duì)于今年1月份IBM發(fā)布的首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)，丁洪也發(fā)表了看法，并表示了對(duì)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展前景的樂觀態(tài)度?！拔曳浅？春昧孔佑?jì)算機(jī)的前景”，丁洪說到，“不過IBM所謂首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)有一定的炒作成分，它的量子計(jì)算機(jī)是用超導(dǎo)量子比特做的，總共是20個(gè)。在極低溫的情況下，所謂的商用是可以提供給用戶，用戶可以付錢使用。商用和實(shí)用還是差很遠(yuǎn)，更多的用戶是用它做測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、量子計(jì)算方面的研究，離一般想象的實(shí)用還是有差距的?！钡『橐餐瑫r(shí)強(qiáng)調(diào)了對(duì)于科技發(fā)展的信心。他說： “很多人對(duì)量子計(jì)算機(jī)有很大的疑問，認(rèn)為這個(gè)是天方夜譚，我是想說，人類在一百年前用算盤的時(shí)候，絕對(duì)不會(huì)想到一百年以后人類的計(jì)算能力可以提高百億億倍，我們現(xiàn)在想象一百年以后量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)也是同樣的。量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的飛躍，會(huì)如同計(jì)算機(jī)和算盤的飛躍一樣， 人類進(jìn)步往往是很驚人的?！绷硗?，丁洪還介紹到，IBM的量子計(jì)算機(jī)是用超導(dǎo)量子比特。量子比特要用量子態(tài)來做，而世界上唯一的宏觀量子態(tài)就是超導(dǎo)體。微觀粒子在實(shí)際中很難運(yùn)用、很難作為器件，而超導(dǎo)體可以做成相對(duì)宏觀的尺寸，這樣做成的量子比特，也可以具有微觀粒子的量子特性。受訪人 | 丁洪 中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、北京凝聚態(tài)物理研究中心首席科學(xué)家采訪人 | 高佩雯 騰訊科普文章發(fā)布前已由受訪人審閱文章由騰訊科普“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自科普中國(guó)