人物觀點(diǎn)：

量子計(jì)算機(jī)從科學(xué)理論轉(zhuǎn)向大眾普及，也許并不需要30年那么長時(shí)間。這是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，我們已經(jīng)進(jìn)入了具有巨大科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力的新時(shí)代，很快我們就會(huì)開始發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)能在更廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，包括物質(zhì)科學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域、物理系統(tǒng)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等等。——米哈伊爾·盧金

在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，我們多年來一直對研發(fā)量子計(jì)算機(jī)充滿了熱情，但它還尚未走進(jìn)我們的日常生活。 量子系統(tǒng)可以無縫地加密數(shù)據(jù)，以及幫助我們對已經(jīng)收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行理解分析，甚至能夠解決即使是最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法解決的復(fù)雜問題，如醫(yī)療診斷和天氣預(yù)報(bào)。

尚未成熟的量子技術(shù)在去年的11月份變得更加接近我們想要的熟練度了。在當(dāng)時(shí)，最著名的科學(xué)期刊之一《自然》發(fā)表了兩篇文章，并且文章中都展示了一些最先進(jìn)的量子系統(tǒng)技術(shù)的最新研發(fā)成果。

如果你還不明白量子計(jì)算機(jī)是什么，它做了什么，或者它可以為你做什么，你并不需要擔(dān)心。 Futurism新聞社最近與哈佛大學(xué)的物理學(xué)教授米哈伊爾·盧金(Mikhail Lukin)談到了量子計(jì)算的當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r，其中包括我們可能在某一天可以在手機(jī)或者辦公桌上使用量子技術(shù)，以及在以上說的這些發(fā)生之前我們需要做些什么。

為了更加清晰和簡潔，這次采訪內(nèi)容在后期進(jìn)行了修改：

問：首先，你可以簡單介紹一下關(guān)于量子計(jì)算的工作原理嗎?

米哈伊爾·盧金：我們從傳統(tǒng)的電腦工作方式開始說起。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中，你用一些輸入的形式來制定你想要解決的任何問題，基本上是一個(gè)關(guān)于0和1進(jìn)行無數(shù)種組合的數(shù)據(jù)信息流。當(dāng)你想做一些計(jì)算時(shí)，你基本上會(huì)根據(jù)這個(gè)流如何實(shí)際移動(dòng)來對電腦本身創(chuàng)建一些特定的規(guī)則。正常機(jī)器中寫入的計(jì)算過程有加法，一旦能做加法，就可以做乘法，而一旦可以做乘法，基本上電腦處理信息就無所不能了。

但是我們的微觀世界形成已經(jīng)有100多年的歷史了，它的基本原理是基于量子力學(xué)的。而在量子力學(xué)中，常常有一個(gè)對應(yīng)的系統(tǒng)來進(jìn)行管理和應(yīng)用。例如，在兩種不同的狀態(tài)下，你的電腦或者你的椅子可以相對應(yīng)的同時(shí)放置——這就是量子疊加的思想。換句話說，你的電腦可以同時(shí)在波士頓和紐約同時(shí)被使用。量子疊加的概念即使聽起來很怪異，它在量子力學(xué)定律中也是被認(rèn)可的。如果按照大范圍考慮，例如我給的例子，這顯然聽起來很奇怪。但在微觀世界中，就像單個(gè)原子一樣，創(chuàng)造這種疊加態(tài)實(shí)際上是相當(dāng)普遍的。所以科學(xué)家們通過這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以證明，一個(gè)原子能夠同時(shí)處于兩種不同的狀態(tài)。

量子計(jì)算機(jī)的想法基本上是利用這些量子力學(xué)規(guī)則來處理信息，所以我們很容易理解為何它可以如此強(qiáng)大。在傳統(tǒng)的電腦中，你給我對應(yīng)數(shù)量的輸入信息，我就能把它們放在我的電腦里，然后讓電腦給你輸出數(shù)據(jù)。但是，如果我們的硬件應(yīng)用了量子力學(xué)，那么不僅僅是順序地提供一些輸入和讀出答案那么簡單，利用態(tài)疊加原理，我們可以準(zhǔn)備一個(gè)電腦寄存器處理許多不同類型的輸入信息。

這意味著，如果我采用這種疊加態(tài)并使用量子力學(xué)定律對其進(jìn)行處理，那么我可以一次處理多個(gè)輸入。與傳統(tǒng)的程序相比，這可能是一個(gè)指數(shù)級(jí)的加速。

問：量子計(jì)算機(jī)的外形是什么樣的?

米哈伊爾·盧金：如果你走進(jìn)一個(gè)帶有量子機(jī)器的房間，你會(huì)看到一個(gè)真空室或?qū)Ч埽约耙皇丈涞剿募す猓以诒倔w里面有一個(gè)很低密度的特定的原子。我們使用激光來減緩非常接近能量絕對值為零的原子運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的激光冷卻。

圖片來源：哈佛大學(xué)Lukin實(shí)驗(yàn)室

問：那你怎么編程呢?

米哈伊爾·盧金：為了制作量子計(jì)算機(jī)，我們將一百束緊密聚焦的激光束照射到這個(gè)真空室中。這些激光束中的每一束都起著光鑷的作用，每束都可以控制住一個(gè)原子，但也可能一個(gè)都抓不住。當(dāng)我們有這些原子陷阱之后，我們通過在這些陷阱中拍攝的原子圖，并找出哪些陷阱載滿了原子，哪些是空的。然后，我們按照我們所希望的任何模式重新排列包含單個(gè)原子的陷阱。單個(gè)原子的個(gè)體保持容易控制的這種理想排列基本上是任意出現(xiàn)的。

定位這些原子是我們編程的一種方法。為了實(shí)際控制量子，我們小心謹(jǐn)慎地將原子從最低能態(tài)推入高能量態(tài)。我們通過精心挑選的激光束來照射特定的一個(gè)原子的過渡，并且它們的頻率需要保持在非常嚴(yán)格的控制下。在這種激發(fā)能量的狀態(tài)下，原子實(shí)際上會(huì)變得非常大，并且由于這個(gè)原子尺寸，原子之間開始相互作用，或者換句話說：彼此交談。通過選擇我們激發(fā)原子的狀態(tài)并選擇它們的排列和位置，我們就可以以高度可控的方式對它們的相互作用進(jìn)行編程。

問：對量子計(jì)算機(jī)最有幫助的應(yīng)用是怎樣的?

米哈伊爾·盧金：說實(shí)話，我們沒有答案。一般認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)不一定會(huì)對所有的計(jì)算任務(wù)有所幫助。但即使是最好的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也有在數(shù)學(xué)問題上難以解決的時(shí)候。這些復(fù)雜的問題中，涉及到例如復(fù)雜優(yōu)化的問題，而這些問題包括試圖滿足一些對于對立面的約束條件等。

假設(shè)你想給一群人送一種禮物，而每個(gè)人都有自己的利基(網(wǎng)易智能注：Niche，是指針對企業(yè)的優(yōu)勢細(xì)分出來的市場，這個(gè)市場不大，而且沒有得到令人滿意的服務(wù))，所以對于這個(gè)禮物來說，這些不同的利基可能是矛盾的。所以會(huì)發(fā)生的是，如果你用傳統(tǒng)的方式解決這個(gè)問題，你必須對這群人每一對或三個(gè)一組進(jìn)行檢查，以確保至少他們的利基是滿意的。這個(gè)問題的復(fù)雜性非常迅速地增長，因?yàn)槟阈枰獧z查的經(jīng)典的組合數(shù)量是以指數(shù)計(jì)算的。這里有一些人相信，對于這類問題，量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有優(yōu)勢。

另一個(gè)非常著名的例子是關(guān)于對因式分解的解決問題。如果你的數(shù)字很小，比如15，很明顯，它的因數(shù)是3和5，但是隨著數(shù)字變大，這種問題很快就會(huì)變得復(fù)雜。如果你有一個(gè)很大的數(shù)字是兩個(gè)數(shù)字很大的因數(shù)的乘積，從傳統(tǒng)的角度說，沒有哪種方法比從1，2，3往后依次尋找改數(shù)字的因數(shù)的方法更好。但事實(shí)證明，存在一個(gè)稱為Shor算法的量子算法，它可以找到比最知名的經(jīng)典算法指數(shù)更快的因子。如果你能做到一種方法擁有比使用其他方法快得多的速度，那么我們可以說，這是一個(gè)大收獲。

問：這聽起來像你的任務(wù)目標(biāo)，而你的使命就是幫助我們推進(jìn)和理解這項(xiàng)技術(shù)，但是與量子技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用程序開發(fā)是次要的，因?yàn)槟阏J(rèn)為當(dāng)我們擁有這些工具時(shí)，相關(guān)應(yīng)用程序就會(huì)自然來到我們身邊。我說的對嗎?

米哈伊爾·盧金：我會(huì)用一種類比來回答你的問題。當(dāng)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)剛被開發(fā)出來時(shí)，他們大多用來做科學(xué)計(jì)算，數(shù)值實(shí)驗(yàn)來理解復(fù)雜的物理系統(tǒng)的行為。現(xiàn)在量子機(jī)器正處于這個(gè)發(fā)展階段。他們已經(jīng)允許我們研究復(fù)雜的量子物理現(xiàn)象，從該角度來說，它們對于科學(xué)研究來說是有用的，而且科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)在用它們幫助研究了。

實(shí)際上，我們在“自然”雜志上發(fā)表的論文的一個(gè)重要意義就在于，我們已經(jīng)建立了足夠大，足夠復(fù)雜，以及足夠量的機(jī)器來幫助我們進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，即使是世界上最好的傳統(tǒng)電腦，例如超級(jí)計(jì)算機(jī)也不可能完成量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在我們的工作中，我們已經(jīng)使用了我們的機(jī)器來進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而且是以前沒有做出來過的，部分原因是因?yàn)閭鹘y(tǒng)電腦很難對這些系統(tǒng)進(jìn)行模型制作。在某些方面，例如以科學(xué)研究作為目的，我們認(rèn)為量子機(jī)器更加有用。

當(dāng)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)正在開發(fā)之中時(shí)，人們對于計(jì)算機(jī)應(yīng)該運(yùn)行哪些算法有一些想法。但事實(shí)上，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)電腦建成時(shí)，人們在開始嘗試使用這些電腦時(shí)便發(fā)現(xiàn)了更多實(shí)用有效的算法，并且一直如此。換句話說，那就是當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)這些計(jì)算機(jī)實(shí)際上可以做的更好的時(shí)候。

這就是為什么我說我們現(xiàn)在真的不知道量子計(jì)算機(jī)的潛能有多大。找到這些任務(wù)的唯一方法就是建立大型功能性的量子機(jī)器去嘗試這些事情。這是一個(gè)重要的目標(biāo)，我應(yīng)該說我們現(xiàn)在正在進(jìn)入這個(gè)階段。當(dāng)我們開始在大型機(jī)器上開始量子算法的實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們已經(jīng)非常接近目標(biāo)了。

問：請告訴我一些關(guān)于你在《自然》雜志發(fā)表的文章中提到的，關(guān)于你所說的“進(jìn)步”究竟指哪些方面的?我們有多接近能夠發(fā)現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)上工作的算法?

米哈伊爾·盧金：既然你問到了，那么首先我們來談?wù)勔慌_(tái)機(jī)器如何能達(dá)到量子機(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)。它應(yīng)能夠沿著三個(gè)不同的軸運(yùn)作，其中一個(gè)軸上是規(guī)模 - 即能夠容納多少量子位(一個(gè)“量子位”，構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的單位“經(jīng)典計(jì)算”中的“位”)，并且越多越好。另一個(gè)軸是量子性的程度，該程度決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定與一致性。所以最終量化它的方法是，如果你有一定數(shù)量的量子，并且用這個(gè)量子計(jì)算，那么這個(gè)計(jì)算沒有錯(cuò)誤的概率是多少?

如果你有一個(gè)量子位，那么你會(huì)有一個(gè)幾率犯下小錯(cuò)誤。一旦你有很多，這個(gè)概率是呈指數(shù)上升。因此，本文和補(bǔ)充論文中描述的系統(tǒng)具有足夠大的量子位，并且足夠連貫，從而基本上可以完成具有相當(dāng)?shù)偷腻e(cuò)誤概率的整個(gè)系列的計(jì)算。換句話說，在有限次嘗試中，我們可以得到一個(gè)幾乎沒有錯(cuò)誤的結(jié)果。

但是這還不算完，我們稱第三個(gè)軸是你可以如何用這臺(tái)機(jī)器編程。基本上如果你能以任意方式使每個(gè)量子位與任何其他量子位交互的話，那么你就可以把任何量子問題編碼到這個(gè)機(jī)器中。這種機(jī)器有時(shí)被稱為通用量子計(jì)算機(jī)。我們現(xiàn)在擁有的機(jī)器不是完全通用(共通)的，但是我們展示了非常高的可編程性，所以我們實(shí)際上可以很快改變它們之間的互連。這些便說明了到底是什么使我們能夠探索和發(fā)現(xiàn)這些復(fù)雜的量子現(xiàn)象的原因。

問：是否量子計(jì)算機(jī)的體積可以縮小到手機(jī)的大小，或者它在某種程度上來說是可以隨身攜帶的嗎?

米哈伊爾·盧金：那當(dāng)然是沒有問題的。我們有很多種辦法來包裝它，以便它成為一種便攜式設(shè)備，并且盡可能小型化，可能比移動(dòng)電話還要小，但也可能會(huì)和臺(tái)式計(jì)算機(jī)一樣大。但是現(xiàn)在的技術(shù)還不能做到。

問：你認(rèn)為，像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣，量子計(jì)算機(jī)將在30年左右從僅僅的科學(xué)發(fā)現(xiàn)理論轉(zhuǎn)向大眾普及化嗎?

米哈伊爾·盧金：我想說，答案是肯定的，但為什么需要30年?也許更快。

問：現(xiàn)在和之后會(huì)發(fā)生什么?我們需要做什么樣的進(jìn)步?

米哈伊爾·盧金：我認(rèn)為我們需要有足夠大的電腦來開始真正了解它們的用途。我們還不知道量子計(jì)算機(jī)能做什么，所以我們不知道它們的全部潛力。我認(rèn)為下一個(gè)挑戰(zhàn)就是要做到這一點(diǎn)。

下一個(gè)階段將是制造可能被用來當(dāng)作專業(yè)用途的寫入相關(guān)應(yīng)用程序的機(jī)器。包括我的團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的人已經(jīng)在開發(fā)一些小型量子設(shè)備，例如醫(yī)療診斷助手。在這些應(yīng)用中，量子系統(tǒng)只是測量微小的電場或磁場，而利用這些數(shù)據(jù)可以使醫(yī)生更有效地進(jìn)行診斷。我認(rèn)為這些事情已經(jīng)到來了，其中一些想法已經(jīng)被視為商業(yè)用途了。

也許，一些一般的應(yīng)用程序可以商業(yè)化。在實(shí)踐中，量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將可能攜手合作。事實(shí)上，最可能的情況是，大部分主要的工作是由傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完成的，但是其中一些最困難的問題，可以通過量子計(jì)算機(jī)來解決。

另外還有一個(gè)領(lǐng)域叫做量子通信，它可以使量子態(tài)在站與站之間進(jìn)行傳輸。如果你使用量子態(tài)發(fā)送信息，則可以構(gòu)建完全安全的通信線路。而且，通過這些所謂的量子網(wǎng)絡(luò)，它有時(shí)也被稱為量子互聯(lián)網(wǎng)，我們應(yīng)該能夠遠(yuǎn)程訪問量子服務(wù)器。這樣，我當(dāng)然可以想象量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)入日常生活的許多可能性，即使你不能把它放在自己的口袋里。

問：你希望更多的人如何去更多的了解量子計(jì)算機(jī)?

米哈伊爾·盧金：量子計(jì)算和量子技術(shù)的提出和研究已經(jīng)有一段時(shí)間了。我們科學(xué)家都知道，這是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，因?yàn)檫@確實(shí)是跨越多個(gè)子領(lǐng)域的科學(xué)研究的前沿項(xiàng)目。在過去的五到十年中，大多數(shù)人認(rèn)為量子學(xué)的事態(tài)發(fā)展是非常未來化的，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為我們創(chuàng)造任何有用的量子機(jī)器需要很長時(shí)間。

但情況并非如此。我認(rèn)為我們已經(jīng)進(jìn)入了具有巨大科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力的新時(shí)代，這些發(fā)現(xiàn)可能在物質(zhì)科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，實(shí)際上還涉及了包括復(fù)雜物理系統(tǒng)的所有部分。但是我也覺得很快我們就會(huì)開始發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)能在更廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，從性能優(yōu)化到人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，我認(rèn)為這些東西即將到來。

我們還不知道量子計(jì)算機(jī)將如何做到我說的這些，但我相信，我們很快就會(huì)知道的。(完)