从量子纠缠到量子计算

苗千

人类从认识量子现象到建立起量子理论，距今已经过去了100多年的时间，如今，人们正试图利用这种大自然的运算方式建造量子计算机，量子计算将对人类文明的发展产生深远的影响。但量子现象究竟是什么？如今人类是否理解了被爱因斯坦称为“鬼魅般的远距离作用”的量子纠缠现象？这些问题并不容易说清楚。从本期开始，将尝试以一系列专栏文章来对此予以解答。

“这一刻代表了量子云计算的诞生。”2016年5月4日，IBM研究主管阿文德·克里希纳（Arvind Krishna）这样评价IBM刚刚推出的量子计算平台——IBM量子体验（IBM Quantum Experience）。这一天IBM公司在沃森研究中心（T. J. Watson Research Certer）首次宣布，大众可以通过云技术使用电脑或是移动设备登录这个量子计算平台运行算法和实验。

这个消息使量子计算机又成为人们关注的焦点。IBM公司研究量子计算机有些独特的意味，在1981年，正是IBM公司与麻省理工学院共同召开了第一届量子计算会议。在会议上，著名的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）号召人类开始研究量子计算机：“自然界并不是经典力学的，如果你希望能够更好地模仿自然界，你最好利用量子计算，而且这像是个很棒的问题，因为它看起来可不容易。”费曼从物理学家的角度希望研制出量子计算机从而更好地模拟自然界，但30多年之后，在电子计算机和网络流行的时代，人们更关注的是量子计算机所展示出的强大计算潜力，这在电子计算机的发展逐渐接近极限的节点尤为重要。

IBM公司的网页上写道：“我们正在书写计算历史的新篇章。”传统的计算模式已经逐渐接近到它的极限，“集成电路上的晶体管数目约每隔18～24个月便会增加一倍”的摩尔定律支配了人类半导体产业长达半个世纪，但是近年来电子器件的集成化速度已经开始显著减慢，人们预测在2035年左右，摩尔定律将彻底失效，传统的集成电路达到极限。人们自然开始把注意力集中在量子计算上，从自然界的运算方式、量子力学中寻找远超传统计算机的计算能力。

在我们所生活的宏观世界中，人类的行为由经典力学所决定，因此我们处理信息的方法也是“经典力学式”的，即使是到了纳米尺度的电子计算机也是以“经典”的方式处理数据。但是在原子量级，自然界的规律是由量子力学所决定，这与传统计算机利用不同的电压代表“0”和“1”两个数字进行存储和计算有本质的不同。量子计算的基本单元“量子比特”（qubit）利用量子力学的“叠加态原理”，可以同时代表“0”和“1”两个数值，并且利用概率进行计算，这使它的计算能力与传统计算机之间将出现指数级别的差异。

IBM并没有像D-Wave公司一样声称开发出了量子计算机，而是宣布开发了一个量子处理器，相比量子计算机的规模要小得多。这个量子处理器主要由在硅片上5个金属材料制造的超导线圈构成，以格子结构在接近绝对零度的温度下工作。虽然D-Wave公司在2015年制造出了9个量子比特构成的计算机，但IBM的5量子比特处理器的架构和测量方式都与之不同，这不仅代表了IBM量子计算机研究的最新成果，也展示了他们研究通用型量子计算机的计划。

目前尚不存在通用型量子计算机（D-Wave量子计算机也只能执行一些特定的计算任务），但是IBM公布了一项雄心勃勃的计划，在未来10年中开发出50～100个量子比特的中等量子处理器。目前5个量子比特的处理器可能还不能进行真正的工作，这个IBM量子体验平台更多还是用于展示目的，但如果能够研制出哪怕只有50个量子比特的量子计算机，其计算能力就堪比目前世界上前500名的超级计算机，这正显示了量子计算的潜力。

加拿大滑铁卢大学量子计算研究所的教授大卫·科里（David Cory）花了一个周末的时间在IBM量子体验平台上运行一个实验，他对于这个系统的稳定性感到十分惊讶，对于每一次实验，系统几乎都能够给出同样的结果——在传统计算机上这个结果固然无奇，但是对于一个量子系统来说，则是一个了不起的展示，量子计算是对于概率的捕捉，能够进行稳定的运算是一个了不起的进步。

克里希纳介绍：“量子计算机与目前的计算机的差别极大，不仅在于外观和材料，更重要的是它们能够做什么。量子计算正在成为现实，而它把计算能力延伸到了远超传统计算机可以想象的地步。”卓越的计算能力将使人未来在药品研发、材料研究、人工智能、大数据搜索、天气预报、解读DNA序列、预测股市、模拟分子运动等各个领域都实现飞跃。

增加量子处理器中的量子比特数目，最终制造出含有大约10万个量子比特共同工作的通用量子计算机，是量子计算机研究人员的最终目标。实现这样的理想绝不容易，首先量子比特的状态极为脆弱，如果你试图观测一个量子比特的状态，它就会发生“退相干”（decoherence），只呈现出一个确定的数值，因此量子计算过程只能在人类无法观测的状态下进行。进行量子计算的过程中，一旦发生退相干，量子的叠加态就会发生塌缩，量子计算机最多只能退回到传统计算机的水平，而当量子计算结束，人们又需要利用退相干过程进行测量，把量子过程转换为经典状态以取得一个确切的数值，这需要极为精确的控制。传统计算机和量子计算机器件工作的能量差别在1万倍以上，这使得量子计算过程中检测和纠错极为困难。无论是哪种材料制造的量子比特，都非常容易受到外界环境的干扰，热扰动、电磁波的影响都很容易使量子比特的运算发生错误，目前即使是只有几个量子比特共同工作，也很难检测和纠正它们出现“比特翻转”（bit-flip）错误，研制多个量子比特都能够正常工作的通用型量子计算机，是否具有有效的量子纠错系统是关键。

量子计算已经展现出了远超传统计算机的计算能力和应用空间，它接受输入，通过最终的测量给出一个输出值，但是它的运算过程则是完全无法控制的，无法观测的量子态，这是自然界真正的运算方式。正如费曼所预想的，利用量子计算机将可以更准确地模拟大自然。尽管如此，量子计算也只是利用了量子力学中最为神秘也最令人难以理解的现象进行计算，它为人类真正理解量子态带来了新的机会。量子过程究竟是怎么样的一个过程？波函数中为什么会有虚数“i”出现？波函数到底是不是真实存在？量子叠加态究竟是一种什么样的状态？量子纠缠的本质又是什么？人类又是如何利用最令人迷惑的自然现象，一步步地搭建起计算能力超群的量子计算机？这就需要从量子现象中最令人感到迷惑的量子纠缠谈起。