段路明在清華大學做量子計算機科普講演

2017年5月，在中國科技界發生了很多大事：從吳文俊院士去世到顏寧從清華離職加盟普林斯頓，從民間科學家宣布「電荷不存在」引發鬧劇到國產大飛機騰空而起……在這些大事件中，有一件事具有革命性的歷史意義——5月3日，中國科學技術大學潘建偉院士在上海宣布：我國科研團隊成功構建的光量子計算機，首次演示了超越早期經典計算機的量子計算能力，並在世界上首次成功實現十個超導量子比特糾纏。

那麼，到底什麼是量子計算機呢？我們來聽聽名家怎麼說。

2017年5月9日晚，美國密歇根大學費米講席教授、清華大學姚期智講座教授、著名量子計算機專家段路明在清華大學做了題目《量子計算與人工智慧》的科普講座。講座吸引了近千名大學生到場聆聽。

段路明說：「量子計算的發展已經有很長了歷史了，量子計算一開始的發展與愛因斯坦與玻爾的爭論有關係。」

在量子力學的初始之初，愛因斯坦與玻爾是量子理論的兩個奠基人，但他們兩位對量子力學的本質有一個漫長的爭論。

爭論一開始涉及到量子力學的概率統計解釋：在量子力學中，一個電子出現的位置是不確定的，就好像是上帝在擲骰子一樣。

在量子力學的概率統計解釋這件事情上，愛因斯坦的名言是「上帝不擲骰子！」

而玻爾的名言是：「愛因斯坦，你別管上帝到底擲不擲骰子！」

這僅僅是爭論的開始，隨著爭論的深入，愛因斯坦提出了著名的EPR悖論來痛擊以概率幅為主要數學工具的量子力學，認為量子力學違反他的狹義相對論的基本思想：信息的傳遞速度是不能超過光速的。EPR悖論的本質是量子糾纏，後來被一個叫約翰.貝爾的物理學家構造了一個實驗來進行檢測，實驗結果並不支持愛因斯坦的基本觀點。

從這段量子力學歷史上著名的爭論開始說起，段路明強調說：「量子力學中最主要的問題不僅僅是概率的問題，而是概率幅的問題。概率與概率幅有什麼不一樣呢？概率是一個實數，但概率幅是一個複數，所以後者會產生相干性。量子計算機為什麼會有與經典計算機完全不一樣的特性，就是因為這個量子相干性。」

在量子力學中，概率幅相當於把概率開根號，或者倒過來說——概率是概率幅的模平方。

正因為有了量子相干性，所以在多個粒子存在的情況下，會出現量子糾纏現象。

量子計算機本質上是利用了量子相干性與量子糾纏的性質。

段路明介紹說，量子計算機天生是並行計算的，量子計算機的計算能力與參與量子糾纏的量子比特（粒子）的個數n有指數增長的關係——這種「指數加速」是量子計算機的本質特性，所以量子計算機的計算能力較強。量子計算機超強的計算能力依靠的是很多個粒子進行量子糾纏。

在5月3日中國科技大學發布的新聞中，中國科學家宣布實現了10個超導量子比特的量子糾纏，這10個量子比特的糾纏就已經是目前世界上最牛的水平了。

因此，如果在未來能做到100個量子比特的糾纏，那麼量子計算機的計算能力會有巨大的提高，具體提到的數量級不是100除以10等於10倍，而是2的100次方除以2的10次方等於2的90次方倍的提高。這就是「指數加速」。

在未來社會，一旦有了這種計算能力超強的量子計算機，那麼一般基於DH密鑰交換系統或者RSA公鑰密碼體系的網路加密方案都可以被量子計算機破解。因此，一旦量子計算機問世，那麼理論上地球上所有的網路密碼系統都是不安全的，無論是電子郵件還是網上銀行轉賬，都可以被量子計算機破解。

功能如此強大的量子計算機為什麼還沒有做出來呢？其中一個原因就在於參與量子糾纏的量子比特數增加以後，整個系統就好像從一個村莊變成了一個城市，人口的增加導致問題增加，容易產生「量子退相干」，所以量子計算機目前還沒有應用到老百姓的生活中。

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