院士姚期智:量子计算机呼之欲出

世界首颗“量子卫星”已经成功发射,但量子计算机距离我们还有多远呢?中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智11月5日在腾讯第五年WE大会上指出,我们已经进入一个能看到量子计算机将要做出来的时间段,我们可以把它叫做最后的一里路,但这里路仍非常艰难。

姚期智院士说,量子计算机研制成功后,现在最为安全的RSA密钥将在3个小时内被破解。

中科院院士姚期智:量子计算机呼之欲出,只剩最艰难的最后一里路

▲11月5日,中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智在2017腾讯WE大会上发表演讲(摄影/张星海)

关于量子计算机和人工智能,姚期智院士认为,如果能够把量子计算机和人工智能放在一起,我们可能做出大自然都没有想到的事情。

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以下为姚期智院士的演讲原文:

大家好,今天非常荣幸能够有机会来参加这个盛典,谢谢主办人邀请我来这里和大家交流。

今天我想谈的题目是是量子计算时代的来临。量子计算无论是在学术期刊上,还是在普通的报纸杂志上,现在都是一个相当热门的话题。
给大家一个简短并有深度的介绍。

20多年以前,量子计算机被发现有一个非常奇怪的功能,大家知道RSA密钥(编者注:RSA公钥加密算法是1977年由罗纳德•李维斯特、阿迪•萨莫尔和伦纳德•阿德曼一起提出的。1987年7月首次在美国公布,当时他们三人都在麻省理工学院工作实习。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。RSA是目前最有影响力和最常用的公钥加密算法,它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击,已被ISO推荐为公钥数据加密标准。)是一个现在常用的密码系统,大家觉得这是一个高度安全的密码系统,但是这个密码系统如果有了量子计算机以后,科学家证明它就变得不安全了,怎么一回事?
比如说我们想用一个RSA的密码系统,用400位数的整数来做一个密钥的话,用现在用最大、最好的超级计算机,需要60万年才能够做出来。但是如果在将来有了一个具备相当储存功能的量子计算机,三个钟头就可以做出来。

我这里用的数字是科学家的最保守估计。量子计算机能够破解现在没有办法破解的密码,这个震惊了世界学术界。

量子计算机什么时候会出现?我们的了解是量子计算机现在基本上已经是呼之欲出,可以称为one the verge of realization。我们已经进入一个能看到量子计算机将要做出来的时间段,我们可以把它叫做最后的一里路,但这会是一个非常艰难,也是需要经过一段时间才能走完的最后一里路。

我在演讲里面,关于以下几个问题会给大家一个有深度的解答?

第一,它到底是什么原理?

第二,最后一里路为什么非常艰难?

最后,量子计算在整个计算的框架,甚至在整个21世纪的科学里面,它有什么样的位置?有没有更高的价值?

首先,我们先谈谈量子计算机为什么和传统计算机完全不一样。中国有一个很古的寓言,是说“杨子见歧路而哭之”,杨子(杨朱)看到有一只羊走失了,他追到了分叉的地方,不知道羊去了哪一条路上,这个时候他觉得很悲伤,因为看起来唯一的方法,就是你必须先去走一条路,然后再走另外一条路。

这代表着我们在做计算机的一个计算问题时,想要找到答案常常要搜索好几个不同的方向,来看到底哪一个方向才能够给你一个答案,传统计算机就有这样一个问题。

在量子世界里面,这个问题能够得到解决。

杨子看到有歧路,如果他是孙悟空的话,这个问题就解决了,因为我在头上拔几根毛,变出很多个小孙悟空,每个人都走不同的路。这样的话,大家可以同时搜索,用的时间就短了,一个难的问题就变得容易了。而在量子世界,这些最微小的粒子本身就具有孙悟空一样的能力。
在一种适合的情况下,量子世界里面这些“小孙悟空”,可以有一个非常好的配合——所有的分身能够全部分开,大家一起合作。换句话说,这个就是达到了我们的平行计算,基本上等于有无限多个能够运作的计算器给你用。但是这种能够分身的魔术,并不是在所有的计算问题里都能够达到的效果。

我们现在看看,刚刚讲的RSA密码破解用的原理是怎么一回事。

在经典物理里面,有一个和量子相似的情况——光。一个非常经典的光学实验是:你如果从一个光源放出一个光,经过一个上面有很多小洞的屏幕,你在后面再放个屏幕,你就会看到在第二个屏幕上的光有一个周期性的变化现象,有时候亮,有时候暗。

它这个变化是由前面的波长、屏幕上的针孔之间的距离、参数所决定的。所以,你如果把这个问题反过来看,第二个屏幕上的光其实会告诉你原本光源里面的性质。

这种模式从计算机的角度来讲并不是太难做,是可以计算的。在量子里面,我们可以把想要破解的密码代表成为量子态。如果将这个量子态的光学设计做得好的话,我们去量一量后面的这个pattern(好比第二个屏幕上的光点),就会了解这个量子态,密码就解开了。RSA的破解,就是这个原理。

当然,量子计算机除了破解密码还可以做很多事情。比如说有了量子计算机,我们就可以解量子方程式,量子方程式是最重要的一个方程式,如果能解量子方程式,就可以解决很多物理、化学、生物上的问题,能够做很多的事情。

经过这二十多年的努力,我们在建设量子计算机方面已经取得了相当大的进步,我现在介绍下清华大学量子信息中心所做的一些工作。

如今,科学家已经了解到什么样的材料是最适合做量子计算机的,而且蓝图基本上有了,但是它还是一个非常难的实践过程。因为在量子计算机里面,纠错是一个非常难的问题。最后一里路,是非常长的一里路。

六年以前,我们成立一个量子计算机所,现在,它已经是世界上相当知名的一个量子计算机中心。我们还希望量子比特存储得久,可能0.01秒就消失了,我们最近做的一项工作,用的是离子的量子计算。离子很有意思,它是先把原子用电离的方式做成变成离子,然后用镭射固定、冷却,同时操纵它。

我们用新观念能够做出一个时间很长的量子存储。不只用一种离子,是用两种不同的离子,就是一个离子来做存储,另外一个离子帮它的忙,给它散热,所以存储时间比以前增加很多倍。

最后,我讲讲量子计算在科学里占什么样的地位。对我来讲,最兴奋的未来,就是我们现在两个最热门的题目,量子计算与人工智能的结合。

宇宙给我们人类两个很大的挑战,在量子物理方面,就是如何用量子计算机引领做出精妙的事情;在软件方面,就是我们人类能否像大自然一样孕育出人工智能新物种。

最后,我想告诉大家,量子计算和人工智能可以结合在一起。二者的结合可能会让我们比大自然更聪明,做出大自然都想不到的事情!