對話哈佛大學教授Lukin：量子計算到底意味著什麼
選自：Futurism
編譯：網易見外編譯機器人
審校：付曾
人物觀點：
量子計算機從科學理論轉向大眾普及，也許並不需要30年那麼長時間。這是一個令人興奮的領域，我們已經進入了具有巨大科學發現潛力的新時代，很快我們就會開始發現量子計算機能在更廣泛的範圍內發揮作用，包括物質科學、化學領域、物理系統、人工智慧和機器學習等等。——米哈伊爾·盧金
在科學技術領域，我們多年來一直對研發量子計算機充滿了熱情，但它還尚未走進我們的日常生活。 量子系統可以無縫地加密數據，以及幫助我們對已經收集到的大量數據進行理解分析，甚至能夠解決即使是最強大的超級計算機也無法解決的複雜問題，如醫療診斷和天氣預報。
尚未成熟的量子技術在去年的11月份變得更加接近我們想要的熟練度了。在當時，最著名的科學期刊之一《自然》發表了兩篇文章，並且文章中都展示了一些最先進的量子系統技術的最新研發成果。
如果你還不明白量子計算機是什麼，它做了什麼，或者它可以為你做什麼，你並不需要擔心。 Futurism新聞社最近與哈佛大學的物理學教授米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）談到了量子計算的當前發展狀況，其中包括我們可能在某一天可以在手機或者辦公桌上使用量子技術，以及在以上說的這些發生之前我們需要做些什麼。
為了更加清晰和簡潔，這次採訪內容在後期進行了修改：
問：首先，你可以簡單介紹一下關於量子計算的工作原理嗎？
米哈伊爾·盧金：我們從傳統的電腦工作方式開始說起。在傳統的計算機中，你用一些輸入的形式來制定你想要解決的任何問題，基本上是一個關於0和1進行無數種組合的數據信息流。當你想做一些計算時，你基本上會根據這個流如何實際移動來對電腦本身創建一些特定的規則。正常機器中寫入的計算過程有加法，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有100多年的歷史了，它的基本原理是基於量子力學的。而在量子力學中，常常有一個對應的系統來進行管理和應用。例如，在兩種不同的狀態下，你的電腦或者你的椅子可以相對應的同時放置——這就是量子疊加的思想。換句話說，你的電腦可以同時在波士頓和紐約同時被使用。量子疊加的概念即使聽起來很怪異，它在量子力學定律中也是被認可的。如果按照大範圍考慮，例如我給的例子，這顯然聽起來很奇怪。但在微觀世界中，就像單個原子一樣，創造這種疊加態實際上是相當普遍的。所以科學家們通過這些科學實驗可以證明，一個原子能夠同時處於兩種不同的狀態。
量子計算機的想法基本上是利用這些量子力學規則來處理信息，所以我們很容易理解為何它可以如此強大。在傳統的電腦中，你給我對應數量的輸入信息，我就能把它們放在我的電腦里，然後讓電腦給你輸出數據。但是，如果我們的硬體應用了量子力學，那麼不僅僅是順序地提供一些輸入和讀出答案那麼簡單，利用態疊加原理，我們可以準備一個電腦寄存器處理許多不同類型的輸入信息。
這意味著，如果我採用這種疊加態並使用量子力學定律對其進行處理，那麼我可以一次處理多個輸入。與傳統的程序相比，這可能是一個指數級的加速。
問：量子計算機的外形是什麼樣的？
米哈伊爾·盧金：如果你走進一個帶有量子機器的房間，你會看到一個真空室或導管，以及一束照射到它的激光，而且在本體裡面有一個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動，這就是所謂的激光冷卻。
圖片來源：哈佛大學Lukin實驗室
問：那你怎麼編程呢？
米哈伊爾·盧金：為了製作量子計算機，我們將一百束緊密聚焦的激光束照射到這個真空室中。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原子，但也可能一個都抓不住。當我們有這些原子陷阱之後，我們通過在這些陷阱中拍攝的原子圖，並找出哪些陷阱載滿了原子，哪些是空的。然後，我們按照我們所希望的任何模式重新排列包含單個原子的陷阱。單個原子的個體保持容易控制的這種理想排列基本上是任意出現的。
定位這些原子是我們編程的一種方法。為了實際控制量子，我們小心謹慎地將原子從最低能態推入高能量態。我們通過精心挑選的激光束來照射特定的一個原子的過渡，並且它們的頻率需要保持在非常嚴格的控制下。在這種激發能量的狀態下，原子實際上會變得非常大，並且由於這個原子尺寸，原子之間開始相互作用，或者換句話說：彼此交談。通過選擇我們激發原子的狀態並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行編程。
問：對量子計算機最有幫助的應用是怎樣的？
米哈伊爾·盧金：說實話，我們沒有答案。一般認為，量子計算機不一定會對所有的計算任務有所幫助。但即使是最好的傳統計算機也有在數學問題上難以解決的時候。這些複雜的問題中，涉及到例如複雜優化的問題，而這些問題包括試圖滿足一些對於對立面的約束條件等。
假設你想給一群人送一種禮物，而每個人都有自己的利基（網易智能註：Niche，是指針對企業的優勢細分出來的市場，這個市場不大，而且沒有得到令人滿意的服務），所以對於這個禮物來說，這些不同的利基可能是矛盾的。所以會發生的是，如果你用傳統的方式解決這個問題，你必須對這群人每一對或三個一組進行檢查，以確保至少他們的利基是滿意的。這個問題的複雜性非常迅速地增長，因為你需要檢查的經典的組合數量是以指數計算的。這裡有一些人相信，對於這類問題，量子計算機比傳統計算機更有優勢。
另一個非常著名的例子是關於對因式分解的解決問題。如果你的數字很小，比如15，很明顯，它的因數是3和5，但是隨著數字變大，這種問題很快就會變得複雜。如果你有一個很大的數字是兩個數字很大的因數的乘積，從傳統的角度說，沒有哪種方法比從1，2，3往後依次尋找改數字的因數的方法更好。但事實證明，存在一個稱為Shor演算法的量子演算法，它可以找到比最知名的經典演算法指數更快的因子。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，那麼我們可以說，這是一個大收穫。
問：這聽起來像你的任務目標，而你的使命就是幫助我們推進和理解這項技術，但是與量子技術相關的應用程序開發是次要的，因為你認為當我們擁有這些工具時，相關應用程序就會自然來到我們身邊。我說的對嗎？
米哈伊爾·盧金：我會用一種類比來回答你的問題。當傳統的計算機剛被開發出來時，他們大多用來做科學計算，數值實驗來理解複雜的物理系統的行為。現在量子機器正處於這個發展階段。他們已經允許我們研究複雜的量子物理現象，從該角度來說，它們對於科學研究來說是有用的，而且科學家們現在已經在用它們幫助研究了。
實際上，我們在「自然」雜誌上發表的論文的一個重要意義就在於，我們已經建立了足夠大，足夠複雜，以及足夠量的機器來幫助我們進行科學實驗，即使是世界上最好的傳統電腦，例如超級計算機也不可能完成量子計算機進行的科學實驗。在我們的工作中，我們已經使用了我們的機器來進行科學發現，而且是以前沒有做出來過的，部分原因是因為傳統電腦很難對這些系統進行模型製作。在某些方面，例如以科學研究作為目的，我們認為量子機器更加有用。
當傳統的計算機正在開發之中時，人們對於計算機應該運行哪些演算法有一些想法。但事實上，當第一台電腦建成時，人們在開始嘗試使用這些電腦時便發現了更多實用有效的演算法，並且一直如此。換句話說，那就是當他們發現這些計算機實際上可以做的更好的時候。
這就是為什麼我說我們現在真的不知道量子計算機的潛能有多大。找到這些任務的唯一方法就是建立大型功能性的量子機器去嘗試這些事情。這是一個重要的目標，我應該說我們現在正在進入這個階段。當我們開始在大型機器上開始量子演算法的實驗時，我們已經非常接近目標了。
問：請告訴我一些關於你在《自然》雜誌發表的文章中提到的，關於你所說的「進步」究竟指哪些方面的？我們有多接近能夠發現在量子計算機上工作的演算法？
米哈伊爾·盧金：既然你問到了，那麼首先我們來談談一台機器如何能達到量子機器的標準。它應能夠沿著三個不同的軸運作，其中一個軸上是規模 - 即能夠容納多少量子位（一個「量子位」，構成量子計算機基礎的單位「經典計算」中的「位」），並且越多越好。另一個軸是量子性的程度，該程度決定了系統的穩定與一致性。所以最終量化它的方法是，如果你有一定數量的量子，並且用這個量子計算，那麼這個計算沒有錯誤的概率是多少？
如果你有一個量子位，那麼你會有一個幾率犯下小錯誤。一旦你有很多，這個概率是呈指數上升。因此，本文和補充論文中描述的系統具有足夠大的量子位，並且足夠連貫，從而基本上可以完成具有相當低的錯誤概率的整個系列的計算。換句話說，在有限次嘗試中，我們可以得到一個幾乎沒有錯誤的結果。
但是這還不算完，我們稱第三個軸是你可以如何用這台機器編程。基本上如果你能以任意方式使每個量子位與任何其他量子位交互的話，那麼你就可以把任何量子問題編碼到這個機器中。這種機器有時被稱為通用量子計算機。我們現在擁有的機器不是完全通用（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麼使我們能夠探索和發現這些複雜的量子現象的原因。
問：是否量子計算機的體積可以縮小到手機的大小，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，以便它成為一種攜帶型設備，並且儘可能小型化，可能比行動電話還要小，但也可能會和台式計算機一樣大。但是現在的技術還不能做到。
問：你認為，像傳統計算機一樣，量子計算機將在30年左右從僅僅的科學發現理論轉向大眾普及化嗎？
米哈伊爾·盧金：我想說，答案是肯定的，但為什麼需要30年？也許更快。
問：現在和之後會發生什麼？我們需要做什麼樣的進步？
米哈伊爾·盧金：我認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算機能做什麼，所以我們不知道它們的全部潛力。我認為下一個挑戰就是要做到這一點。
下一個階段將是製造可能被用來當作專業用途的寫入相關應用程序的機器。包括我的團隊在內的人已經在開發一些小型量子設備，例如醫療診斷助手。在這些應用中，量子系統只是測量微小的電場或磁場，而利用這些數據可以使醫生更有效地進行診斷。我認為這些事情已經到來了，其中一些想法已經被視為商業用途了。
也許，一些一般的應用程序可以商業化。在實踐中，量子計算機和傳統計算機將可能攜手合作。事實上，最可能的情況是，大部分主要的工作是由傳統計算機完成的，但是其中一些最困難的問題，可以通過量子計算機來解決。
另外還有一個領域叫做量子通信，它可以使量子態在站與站之間進行傳輸。如果你使用量子態發送信息，則可以構建完全安全的通信線路。而且，通過這些所謂的量子網路，它有時也被稱為量子互聯網，我們應該能夠遠程訪問量子伺服器。這樣，我當然可以想像量子計算機可以進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裡。
問：你希望更多的人如何去更多的了解量子計算機？
米哈伊爾·盧金：量子計算和量子技術的提出和研究已經有一段時間了。我們科學家都知道，這是一個令人興奮的領域，因為這確實是跨越多個子領域的科學研究的前沿項目。在過去的五到十年中，大多數人認為量子學的事態發展是非常未來化的，因為他們認為我們創造任何有用的量子機器需要很長時間。
但情況並非如此。我認為我們已經進入了具有巨大科學發現潛力的新時代，這些發現可能在物質科學和化學領域具有廣泛的應用，實際上還涉及了包括複雜物理系統的所有部分。但是我也覺得很快我們就會開始發現量子計算機能在更廣泛的範圍內發揮作用，從性能優化到人工智慧和機器學習，我認為這些東西即將到來。
我們還不知道量子計算機將如何做到我說的這些，但我相信，我們很快就會知道的。（完）
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