段路明在清华大学做量子计算机科普讲演

　　2017年5月，在中国科技界发生了很多大事：从吴文俊院士去世到颜宁从清华离职加盟普林斯顿，从民间科学家宣布“电荷不存在”引发闹剧到国产大飞机腾空而起……在这些大事件中，有一件事具有革命性的历史意义—— 5月3日， 中国科学技术大学潘建伟院士 在上海宣布：我国科研团队成功构建的光量子计算机，首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力，并在世界上首次成功实现十个超导量子比特纠缠。

　　那么，到底什么是量子计算机呢？我们来听听名家怎么说。

　　2017年5月9日晚，美国密歇根大学费米讲席教授、清华大学姚期智讲座教授、著名量子计算机专家段路明在清华大学做了题目《量子计算与人工智能》的科普讲座。讲座吸引了近千名大学生到场聆听。

　　段路明说：“量子计算的发展已经有很长了历史了，量子计算一开始的发展与爱因斯坦与玻尔的争论有关系。”

　　在量子力学的初始之初，爱因斯坦与玻尔是量子理论的两个奠基人，但他们两位对量子力学的本质有一个漫长的争论。

　　争论一开始涉及到量子力学的概率统计解释：在量子力学中，一个电子出现的位置是不确定的，就好像是上帝在掷骰子一样。

　　在量子力学的概率统计解释这件事情上，爱因斯坦的名言是“上帝不掷骰子！”

　　而玻尔的名言是：“爱因斯坦，你别管上帝到底掷不掷骰子！”

　　这仅仅是争论的开始，随着争论的深入，爱因斯坦提出了著名的EPR悖论来痛击以概率幅为主要数学工具的量子力学，认为量子力学违反他的狭义相对论的基本思想：信息的传递速度是不能超过光速的。EPR悖论的本质是量子纠缠，后来被一个叫约翰.贝尔的物理学家构造了一个实验来进行检测，实验结果并不支持爱因斯坦的基本观点。

　　从这段量子力学历史上著名的争论开始说起，段路明强调说：“量子力学中最主要的问题不仅仅是概率的问题，而是概率幅的问题。概率与概率幅有什么不一样呢？概率是一个实数，但概率幅是一个复数，所以后者会产生相干性。量子计算机为什么会有与经典计算机完全不一样的特性，就是因为这个量子相干性。”

　　在量子力学中，概率幅相当于把概率开根号，或者倒过来说——概率是概率幅的模平方。

　　正因为有了量子相干性，所以在多个粒子存在的情况下，会出现量子纠缠现象。

　　量子计算机本质上是利用了量子相干性与量子纠缠的性质。

　　段路明介绍说，量子计算机天生是并行计算的，量子计算机的计算能力与参与量子纠缠的量子比特（粒子）的个数n有指数增长的关系——这种“指数加速”是量子计算机的本质特性，所以量子计算机的计算能力较强。量子计算机超强的计算能力依靠的是很多个粒子进行量子纠缠。

　　在5月3日中国科技大学发布的新闻中，中国科学家宣布实现了10个超导量子比特的量子纠缠，这10个量子比特的纠缠就已经是目前世界上最牛的水平了。

　　因此，如果在未来能做到100个量子比特的纠缠，那么量子计算机的计算能力会有巨大的提高，具体提到的数量级不是100除以10等于10倍，而是2的100次方除以2的10次方等于2的90次方倍的提高。这就是“指数加速”。

　　在未来社会，一旦有了这种计算能力超强的量子计算机，那么一般基于DH密钥交换系统或者RSA公钥密码体系的网络加密方案都可以被量子计算机破解。因此，一旦量子计算机问世，那么理论上地球上所有的网络密码系统都是不安全的，无论是电子邮件还是网上银行转账，都可以被量子计算机破解。

　　功能如此强大的量子计算机为什么还没有做出来呢？其中一个原因就在于参与量子纠缠的量子比特数增加以后，整个系统就好像从一个村庄变成了一个城市，人口的增加导致问题增加，容易产生“量子退相干”，所以量子计算机目前还没有应用到老百姓的生活中。