[科普中国]-中科院研究员丁洪：量子计算机前景可期，算力翻亿倍并非天方夜谭

2019年5月25日，“未来论坛深圳技术峰会”在深举办，全球范围内数十名卓有建树的科学家、企业家、投资人和创业者应邀参会，分享科技前沿成果，探讨学科交叉与学术创新，推进产业转化。会议期间，腾讯科普对首届未来论坛科学家委员会主席、中国科学院物理研究所研究员丁洪进行了采访。丁洪从社会公益角度出发，强调了未来论坛“传播科学精神、提高公众科学素质、促进科学发展”的宗旨；还从凝聚态物理的基本概念“准粒子”出发，介绍了当下热门的量子计算机的工作原理与应用前景，表达了对科技发展的信心。图：中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态物理研究中心首席科学家丁洪（摄于深圳技术峰会）作为最早加入未来论坛的几位科学家之一，丁洪研究员是首届未来论坛科学家委员会主席，也是本届未来论坛年会的组织委员会主席。丁洪称，对于未来论坛的活动自己一向很积极，这次来到深圳很高兴，以前未来论坛活动基本上是在北京，这次放在深圳，也体现了深圳的活力，特别是科技创新的活力。未来论坛作为公益组织，宗旨是通过大众科普、奖励科学，促进科学发展和传播科学精神，并且鼓励青少年关心科学、加入科学。“社会不断发展，资本从前期的注重技术转化，到现在开始在科学产出的初期介入，更好地促进科学的发展以及科研成果项目的转化。未来论坛则更多是从本源来做，主要是支持和鼓励青少年参与科学、提高国民的科学素质。”丁洪说，通过企业家、投资家、科学家共同努力，是非常有益的。关于量子计算机说到基础研究向技术的转化，记者问到当下热门的量子计算机的话题。这也是丁洪研究员的一个相关研究课题。对于其中的一些基本概念，例如“量子比特”、“拓扑量子计算”等，丁洪研究员给出了通俗的解释。“准粒子”与“基本粒子”相互借鉴量子计算机运用量子的叠加和纠缠特性作计算，其中涉及到凝聚态物理中“准粒子”的概念。这是和高能物理中的基本粒子（如电子、光子、中微子等）相对应的一个概念。它们都可以具备量子叠加和纠缠特性，因此都能作为量子信息的载体。丁洪说，以前认为准粒子和基本粒子的区别是非常大的，准粒子比如说一个材料中你敲一下它会振动，振动是整个材料波的传播，人们可以把它量子化称为声子，声子就是准粒子，描述整个材料的振动。准粒子只是一个数学化能量的方法。“现在人们越来越意识到，我们可以把材料看成一个宇宙叫做固体宇宙，也可以把宇宙看成一个材料。”宇宙所谓的真空是不空的，真空中间可以产生正负粒子对，所以真空也可以看成是一种材料。“这样的意义上，准粒子和基本粒子就非常等同，可以认为基本粒子是宇宙材料的准粒子，从这样理解的话，现在我们越来越意识到凝聚态和高能物理越来越多借鉴。”丁洪说到。“量子比特”比“经典比特”包含更多信息在经典计算机中，使用电子传递信息，信息量的最小单位称为“比特”。而在量子计算机中也有类似的概念“量子比特”，由具有量子特性的（准）粒子承载。这具体是个什么样的概念呢？丁洪说，经典计算用的经典比特代表0和1（由电位决定），要么是0、要么是1，通过0和1的排列组合可以代表任何数字。量子计算机用的是量子比特，量子比特也有1，但也有0和1之间的任意组合（由量子态决定），线性组合，用的是量子叠加的原理。它并不是只代表0和1之间一个态，它代表所有的可能态，丁洪强调说。这样运算的时候用量子比特把所有的可能态都一起运算，有可能大大地增加计算力、计算速度，基本的原理是不同的。用量子叠加原理进行并行计算，比经典计算快非常多。据悉，只要50个量子比特，其运算能力就可超过现有的超级计算机。“量子纠缠”帮助实现“并行计算”既然量子计算比经典计算有这样大的优势，目前量子计算机为何还没有投入应用呢？开发中有哪些问题？丁洪说，量子计算机最大的优势也是它最大的问题，就是它可以把所有的量子态纠缠在一块进行运算，像薛定谔的猫。薛定谔说，猫如果是量子态，猫的状态是可以介于生和死之间，生死不定，这样可以进行并行运算。但是一旦人去看，猫的量子态就被破坏了（波函数坍缩），要么是死要么是活。所以量子计算机在计算的时候不能看（观测），整个外界不能和它有耦合和影响，这是非常难做到的。量子退相干作用是非常严重的，要和外界隔开，特别要在极低温，接近绝对0度，即负273度的低温情况下隔绝，一般量子比特要这样做才有可能做成量子计算机，丁洪说道，还有一种办法就是使用其它的量子比特去保护需要计算用的量子比特，去对抗外界干扰，但做起来就很复杂。那还有没有其他方法呢？“马约拉纳任意子”形成“拓扑保护”2018年8月份丁洪课题组和合作者发表了一项重要研究——在铁基超导体中发现马约拉纳任意子。 马约拉纳任意子是一种性质和马约拉纳费米子相对应的准粒子，具有微观粒子的基本量子特性。其一个潜在用途就是作为拓扑量子比特的载体，用在未来的量子计算机中。相比其他的粒子，它有什么独特的优势呢？丁洪介绍说，量子计算机和外界有接触的话需要有其它大量的量子比特保护，这是非常难做到。但还有另外一种方法，就是用拓扑量子计算。拓扑量子计算就是把一个量子比特劈成两半，变成两个纠缠的半个量子比特。半个量子比特分开就是非常稳定的，不容易被环境噪声所影响，也就不会发生退相干。用马约拉纳任意子做量子计算，就是把一个量子比特劈成两半，用半个量子比特做计算，运作完了以后再把半个量子比特合成一个量子，这样，既可以参与量子计算，又不受外界环境噪音干扰。“我们做的就是发现了一种新的途径，能够在简单的单质材料中找到很纯的马约拉纳任意子。”丁洪说道。那马约拉纳任意子为什么会有这种特性呢？丁洪解释说，马约拉纳任意子是一种非常奇妙的新粒子，它和其他粒子不一样。以前我们认为在宇宙中、固体中，粒子只有两种，一种是玻色子（如光子，无反粒子），一种是费米子（如电子，有反粒子）。马约拉纳任意子是在两者之间的新的粒子（其反粒子是其本身），遵循一种新的统计规律，叫非阿贝尔统计，这种统计能保护这些量子计算的稳定性。“用马约拉纳任意子做成拓扑量子比特，其意义相当于对于经典计算机中的三极管，拓扑量子计算机的三极管就是用马约拉纳任意子做的拓扑量子比特。”丁洪打了个比喻说。量子计算机前景可期对于今年1月份IBM发布的首台商用量子计算机，丁洪也发表了看法，并表示了对量子计算机发展前景的乐观态度。“我非常看好量子计算机的前景”，丁洪说到，“不过IBM所谓首台商用量子计算机有一定的炒作成分，它的量子计算机是用超导量子比特做的，总共是20个。在极低温的情况下，所谓的商用是可以提供给用户，用户可以付钱使用。商用和实用还是差很远，更多的用户是用它做测试、实验、量子计算方面的研究，离一般想象的实用还是有差距的。”但丁洪也同时强调了对于科技发展的信心。他说： “很多人对量子计算机有很大的疑问，认为这个是天方夜谭，我是想说，人类在一百年前用算盘的时候，绝对不会想到一百年以后人类的计算能力可以提高百亿亿倍，我们现在想象一百年以后量子计算机的实现也是同样的。量子计算机和经典计算机的飞跃，会如同计算机和算盘的飞跃一样， 人类进步往往是很惊人的。”另外，丁洪还介绍到，IBM的量子计算机是用超导量子比特。量子比特要用量子态来做，而世界上唯一的宏观量子态就是超导体。微观粒子在实际中很难运用、很难作为器件，而超导体可以做成相对宏观的尺寸，这样做成的量子比特，也可以具有微观粒子的量子特性。受访人 | 丁洪 中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态物理研究中心首席科学家采访人 | 高佩雯 腾讯科普文章发布前已由受访人审阅文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国