陸朝陽：量子計算從夢想照進現實
大家好！我是來自中國科學技術大學的陸朝陽，主要從事量子物理和量子信息領域的研究。
這個研究領域大家聽起來非常抽象、非常陌生。最近這個領域有兩件事情引起了公眾的注意，一個是2016年8月16日我國發射了世界上首顆量子科學實驗衛星，另外一個是在2019年10月23日谷歌開發出了一個53量子比特處理器，完成了經典計算機無法完成的任務。用這個量子處理器200秒時間完成的任務，超級計算機需要2.5天才能完成。
所以大家可能會比較好奇到底什麼是量子？
量子是一個物理學概念。量子是物質和能量的基本單元。與大家熟悉的牛頓物理學非常不同的是，經典力學物理量的變化是連續的，而量子是離散的，比如把光細分後，是由一個一個光子組成，物質最後細分下去也是離散的一個個原子組成，當然它的尺度非常小。比如一個光子的能量只有10-18焦耳，原子和分子的尺寸也非常小，只有大概0.1納米的尺度。在這樣一個我們不熟悉的微觀尺度，這些物體會有一種新的運動規律。
以一個小實驗來介紹微觀尺度下物質的運動規律，通過這個小實驗大家可以明白為什麼我們現在正在從事的量子通信是一個安全的通信方式、為什麼量子計算是一種原則上非常快速的計算方法。
這個小遊戲是保齡球的變種版本。在球道中間有三個擋板，保齡球只能從中間兩個狹縫過去，在終點的屏幕上保齡球會留下撞擊的痕跡。現在把保齡球縮小，縮成原子大小，在微觀世界玩保齡球遊戲。最後會出現完全不同的現象。我們在後面屏幕上可以觀察到撞擊痕跡形成的明暗相間的幹涉條紋。我們看到了經典世界和量子世界非常鮮明的對比。
為什麼會出現這樣的情況？量子力學告訴我們，在微觀尺度量子的保齡球不是像日常生活裡我們可以確定它從左邊狹縫過去或者右邊狹縫過去，它像孫悟空的分身術一樣，變成兩個分身，從兩側狹縫一起過去。（圖）這是量子力學中一個非常基本的原理，叫做量子相干疊加原理，它允許一個物體處於多種狀態的疊加態。
在一個微觀世界裡面，我們允許一個物體可以同時處於多種狀態，比如這樣的一個量子保齡球允許它從紅色和藍色線同時過去。做一個宏觀的類比，這就像一個人，他可以既在上海又在北京。兩種不同的物理狀態可以編碼為計算機運算所需要的邏輯信號0和1。如果一個量子比特，就有0和1兩個狀態同時存在，兩個量子比特的話就有4個狀態同時存在，如果有10個就有1024種，在原理上可以做並行計算。如果有50個量子比特，250的狀態經過函數計算以後250這麼多數的函數結果可以一次同時得到，獲得一個很大的加速。
有些同學會非常好奇，為什麼這個量子保齡球可以從兩個路徑一起過去呢？我從一側觀察不就知道到底從左邊過去還是右邊過去的。當有一個觀測、有一個竊聽的時候，更加神奇的現象出現了。這時候可以看到後面屏幕上不再是量子世界裡的很多個條紋，它又回到了經典世界的兩個條紋的情況。也就是說對於一個經典系統，我們知道桌子上有一杯水，看它或者不看它，它都是一杯水不會發生什麼變化。但是對於量子體系，對它是否做觀測，是可以改變量子系統本身的狀態。比如原來不觀測的時候，它處於相干疊加態同時存在，一觀測它就會立刻塌縮到某種狀態。這樣給我們提供了一種在原理上安全的通信方式，我們用單光子作為媒介，把它傳播到某個通道，這個通道裡面可能有很多竊聽者，但是任何一個竊聽不可避免會引入一個擾動，這個擾動會改變光子本身狀態，使得通信雙方有所察覺，是一種竊聽必然會被發現的新型通信方式。
計算、通信這些聽起來，數學家、計算機科學家更感興趣的事情，為什麼用物理學的方法做研究呢？非常有意思的是可以看右邊這張圖。有兩間屋子，一個屋子有三個開關，另一間屋子有三盞燈，這三個開關分別控制這三盞燈，但是中間這個線路很複雜，不知道哪個開關連哪個燈。給大家出一道題目，你在這個房間待5分鐘到那個房間去，只去一次不能回來，要告訴我哪個開關控制哪一盞燈。對於數學家來講這個問題是無解的。因為他要麼開一盞，要麼開兩盞，這時候必然有兩種狀態是無法區分的。
物理學家怎麼辦呢？就先打開兩盞燈的開關等5分鐘然後把一盞燈關掉，再到另一個房間就可以看到只有一盞燈是亮的，是開了之後沒有關閉的，還有兩盞燈是暗的，但是其中一盞暗的燈，溫度會變高，它是有點溫或者燙的，這時候我們知道那盞燈就是一開始打開5分鐘後關上的。用物理新的效應代入到計算通訊領域，就給我們帶來新的可能性。
量子力學從20世紀初被發現以來，在過去一百多年它已經給我們帶來了很多革命性的技術進步，電晶體、雷射、核磁共振、LED等等。電晶體是計算技術的基礎，計算機的基礎。雷射是網際網路通訊的基礎。在最近40到50年，隨著我們對於量子體系的實驗操縱能力的進步和提高，可以說迎來了第二次量子革命，不再像第一次量子革命裡面主要是對量子規律的被動觀測和宏觀應用，現在可以像搭積木、蓋房子一樣，或者像生物領域DNA工程一樣，可以對量子態有一個自底而上的主動精確操縱，這樣的主動精確操縱給我們帶來了第二次量子革命的某些技術，比如安全通信、超快計算、精密量子測量技術等等。
對於量子通信來說，目前這方面研究已經走出了實驗室。我們國家已經建立了從北京到上海的2000公裡的基於光纖的量子通信網絡，用於技術驗證和應用示範。為了實現更遠距離的量子通信，2016年我國發射了世界上首個「墨子號」量子科學實驗衛星，實現了千公裡天地間的密鑰分發，千公裡糾纏分發糾纏態，由地面到天空的量子隱形傳態等實驗，為以後天地一體化的量子網絡奠定了科學基礎。
量子通信的另一個方面，它不僅可以給我們帶來保密的通信，傳送經典信息，同時還可以用來傳送量子狀態，比如一個分子狀態、一個原子狀態、光子的狀態。
從1997年第一次實現微觀粒子的隱形傳態以來，我們不斷在傳送粒子的複雜度、距離等等方面推進工作，未來也許可以實現更加複雜的物體傳輸。這些是我們目前量子通信的發展現狀。在這個領域我國處於世界領先水平，在光纖量子通信網絡，基於衛星的、自由空間的量子空間網絡等等方面全面領先。未來我們的努力目標是構建完整的天地一體廣域量子通信網絡，和經典通信網絡實現非常好的無縫連結，在這個基礎上形成下一代國家信息安全生態系統。
今天我想給大家介紹的重點，是另一個更加有挑戰的領域量子計算。剛才已經在原理上給大家介紹了，量子計算在原理上通過並行計算給計算速度帶來很大的提升。但是實際上真正要造一個量子計算機存在著非常多的挑戰。
量子通信的主要任務是把一個光子傳送很遠的距離。對於量子計算來說，如果要造一臺通用量子計算機，需要幾千萬個物理量子比特甚至幾億個物理量子比特。如果我們回顧一下歷史，會發現非常有趣，1995年國際學術界兩個先驅Charles Bennelt和David Divincenze，他們的評述文章裡面寫道，在1995年大數分解算法剛剛被提出來的時候，大家是很悲觀的，在國際會議上大家打賭，一個500位的數首先由量子計算機還是經典計算機把它分解出來，這時候有很多參會者認為經典計算機是做不到的，量子計算機要造出來也非常難，甚至太陽燃燒完之前都造不出來。
隨著這個領域的發展，特別是在最近兩三年，大家的心態變得樂觀很多，也許有些過度樂觀，可以看到量子計算目前受到了不僅是大學、研究機構還有很多國際大公司的關注，比如谷歌、IBM、微軟等等。然而就像國外Futurism期刊講的，「我們甚至還不知道未來的量子計算機看起來會是怎麼樣的，但是，天哪，大家都莫名地激動」。很多時候國外的報導也會以一種比較誇張的形式散播，比如說谷歌發布首個72比特通用量子計算機，顯然它並不是通用，72個量子比特的樣品也沒有經過很好的測試，也沒有糾纏等等性能測試。
這裡我想引用一下美國的國家技術標準局Jake Taylor教授，他也是美國量子國家項目的主要推動人之一，他的報告裡面其實也指出了量子計算領域目前正處於泡沫期的上升期，可以看到它正處在半山腰上面，他的報告中也指出如果政府或者科學家沒有加以任何調控，最終可能經過一段時間狂熱的追求後可能進入一個冬天，無法達到我們的目標。如果有一個很好的調控，一開始沒有那麼高期望，最後長期這條泡沫曲線會回歸理性發展。
所以為了避免這樣一種大家過高的期望，以及過高期望可能會帶來的冬天，所以最好有一種比較穩妥的，分步走、沿途下蛋的方法。這樣既不給大家過高期望，同時也希望中間每一步都給出一些比較好的結果，可以鼓勵大家繼續把這個領域往前推進。
量子計算有四個主要階段。過去20年，主要集中在量子算法原理演示，就像玩具模型一樣只是做一個演示。目前有極少的研究者已經做到對特定問題超越經典計算機，這也是之前谷歌所宣稱的「量子霸權」的研究目標。做到這個研究目標，它有一些特定算法，大概需要50到100個物理比特。之後如果可以操縱數百個或者數千個物理比特，就可以嘗試構建一些有實用價值的量子模擬機，我們覺得實現一個實用量子模擬機還需要5到10年。實現通用的量子計算機難度大得多，也許15年，也許20年，也許更久。目前谷歌提出國際學術界非常認可的分步走的目標（圖），量子比特數目從50到100個，數百個到數千個，最後可能上億個物理比特。
第一步實現的量子優越性，國外翻譯為「量子霸權」，這樣的研究目標有什麼意義呢？有三個算法可以實現這個研究目標。這個研究目標主要有兩方面的基礎研究的意義，我們知道量子計算領域，一開始大家之所以對它抱有期望，是因為我們認為量子力學可以給我們帶來一種原理上完全不同的編碼方式，可以給我們帶來計算的加速。正如在量子通信裡需要利用糾纏，這樣一種經典世界沒有的一種現象，它可以提供一種比經典更強的各種關聯，類似我們在量子計算裡也需要一個證明量子計算優越性的實驗。用這個實驗來證明，量子力學領域有一種比經典更快的計算，把最開始理論學家告訴我們的量子計算可以比經典計算更快這樣一個論斷，在實驗上確切地看到，就是叫做「Show me，Don't tell me.」提供一個確鑿的實驗證據來證明量子計算是可以比經典計算有一個加速。如果要換一個更加淺顯的說法，我們可以看一下周星馳電影裡這樣一個片斷。（視頻）
除了基礎科研上的意義（給出量子計算存在巨大潛力的實驗證據）之外，當然它也是未來走向實用化量子模擬和量子計算的必經途徑，或者說給我們這個領域和投資界帶來信心。其實除了谷歌的「隨機線路取樣」的算法外，實現量子計算優越性還有另外一個途徑，也正是我們一直在努力的方向：用光子來實現玻色取樣。
下面給大家介紹一下過去七八年裡我們做的這方面的一些研究。
玻色取樣需要用光子來實現，這裡最重要的資源是要實現完美的單光子源，光子比特有兩個最重要的限制，可以操縱多少個光子，數量是由效率決定的。最終光量子計算機的質量是由光子的全同性決定，光子要一模一樣。我們在2013年第一次解決了光子的品質問題，可以把它做到大概99%，這之後我們一直在推進它的效率，目前我們處於國際領先水平。
基於我們自主發展的單光子源開始推進玻色取樣研究，2013年我們剛剛開始做玻色取樣研究的時候，基於2013年國際上最好的光源線路以及探測參數，要看到50光子的符合計數大概是10-150每秒，這是超級小的天文數字。利用我們自主發展的單光子源以及超低損耗的線路，我們在2017年完成了第一代原型機實驗，通過5個光子的實驗，實驗參數證明我們比之前的10-150，可以提升大概90個數量級，做到10-60。第二代原型機實驗在去年和谷歌同步實現的，我們進一步提升了量子光源的品質以及三維的幹涉儀，我們可以做到又提升大概30個數量級，輸出態空間達到3.7*1014，逼近了量子計算優越性。
2020年我們完成了第三代玻色取樣實驗。這個實驗裡我們用了一個新原理，叫做高斯玻色採樣，這個方案可以完整的利用自發參量下轉化所產生的全部光子組分，這樣可以實現非常高效地輸入50個單模壓縮態到100×100的幹涉網絡，最終在特定採樣任務得到了比超級計算機快1014的結果，這是基於目前最好的理論估計。我們也非常希望和非常歡迎，經典計算領域的科學家，包括量子計算領域的，在我們的工作的激發下，進一步優化量子算法，來挑戰這個1014的鴻溝。同時，在我們這個實驗裡輸出的量子態空間達到1030，比去年穀歌實驗高了14個數量級。
另外，非常有趣的是，我們方案可能有一些潛在的應用，這是和谷歌算法有點不一樣的。「量子霸權」本身並不需要所研究的問題有應用價值，不過對高斯玻色的採樣目前國際上有很多相關理論，把它映射到到實際問題上，這也是下一步要努力的目標。
最後感謝我們的合作者，在潘建偉老師的領銜下，多個單位的合作者精誠合作，我們一起完成任務和實驗。這個實驗是在非常特殊的時期完成的，我們實驗的大部分工作是在2020年疫情期間完成，感謝在我們國家非常強有力的組織下能夠很好的控制疫情。如果沒有這樣安定的環境，我們的實驗肯定會被推遲甚至無法完成。
謝謝大家！