郭光燦院士：我們距離量子計算機還有多遠？

中國科學院院士、中國科學技術大學教授 郭光燦

在近日舉行的“瞰見未來”2024復旦管院新年論壇上，中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦發表《引爆“第二次量子革命”的世紀爭論》主題演講，在回溯量子力學發展沿革中，分享量子技術最新進展，展望第二次量子革命的前景未來。

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量子力學“幽靈”與世紀爭論

愛因斯坦和玻爾的第一場爭論始於1927年10月的“第五屆索爾維會議”。這場會議有29位世界著名科學家出席，包括居里夫人、普朗克等，其中有17個人先後獲得諾貝爾獎，可見會議規格之高。

會議的核心議題是量子力學，而會議的主角是愛因斯坦。愛因斯坦的立場是向量子力學提出挑戰，他的挑戰對象是建立量子力學哥本哈根學派的玻爾。雙方在3年後的第六次會議上還展開了第二場爭論，兩次交鋒均以愛因斯坦的失敗告終。

愛因斯坦指出，量子力學中存在一種“特殊”的超距作用。自此，愛因斯坦挑起物理學近90年的一場歷史性學術爭論，極大推動了量子力學的深刻發展。

1935年，愛因斯坦在《物理評論》上發表了一篇由他和兩位年輕人共同完成的文章，也就是歷史上著名的“EPR佯謬”，文中講述了什麼是“特殊超距作用”。

EPR的思想實驗詳細闡明瞭愛因斯坦心目中的這種“特殊超距作用”。設想有兩個量子客體A和B，其自旋要麼向上，要麼向下。自旋總是相反的兩粒子系統，在實驗上可製備，按照量子力學理論，如果單獨測量A或B的自旋，有50%概率向上，50%概率向下；如果將A和B分別發送到地球和月球上，A與B之間就會存在“幽靈般”的超距作用。

在地球上測量A的自旋，結果是向上，那麼月球上的B的自旋不管測量還是不測量，其自旋“即時”爲向下。愛因斯坦認爲，這個現象絕對不會發生，因爲從測量A的“因”，不可能瞬時導致B的自旋變爲向下。但量子力學預言這個現象必定會發生，因此他稱之爲“幽靈”超距作用。

愛因斯坦指出，量子力學中出現不可能存在的“幽靈”，這表明“量子力學不完備”，該理論不足以描述真實的物理實在。應當用更合適的理論替代它，即所謂“隱參數理論”。引進隱參數便可以“消除”這個“幽靈”。

02

跨越90年解決世紀難題

世界究竟是遵從量子力學還是隱參數理論？這是個富有“哲學”意味的辯題。30多年之後，解決這個重大爭論的人出現了，正是愛因斯坦的崇拜者貝爾（John Bell）。

1964年，貝爾在美國加利福尼亞州出差時，利用業餘時間研究愛因斯坦與玻爾的歷史性爭論，並且在一本不起眼的刊物《物理》上發表了一篇在歷史上具有重要意義的文章——《論EPR佯謬》。

貝爾做了兩點假設：一、局域性。沒有任何相互作用的客體不會相互影響，或者說不存在超光速的關聯。二、實在論。測量之前存在有客觀實體。在這兩點假設下，貝爾推導出，EPR佯謬的實驗必定滿足某個不等式，即貝爾不等式。

貝爾不等式是什麼意思？如果這個不等式永遠成立，那就證明量子力學是不完備的，要用隱參數理論來替代量子力學。如果實驗上發現貝爾不等式被違背了，那就說明愛因斯坦錯了，量子力學是完備的，“幽靈”是存在的。

1972年時，美國實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤最早把根據貝爾不等式進行實驗，遺憾的是當時儀器太過粗糙。到了1982年，法國物理家阿蘭·阿斯佩的實驗得到公認，貝爾不等式被違背，但仍存在漏洞。2015年，荷蘭代爾夫特大學物理學家羅納德·漢森團隊完成無漏洞的貝爾不等式違背實驗。

2022年，諾貝爾物理學獎同時頒發給阿蘭·阿斯佩、約翰·弗朗西斯·克勞澤和奧地利物理學家安東·塞林格，以表彰他們“用糾纏光子驗證了量子不遵循貝爾不等式，開創了量子信息學”。至此，這場歷經90年的討論有了最後的答案。

03

量子糾纏與“超光速”無關

貝爾不等式違背說明貝爾發表的兩個假定，要麼一個錯，要麼兩個都錯。根據結論，實在性沒有問題，問題出在局域性的假定應該是非局域性的。貝爾定理即是如果一個理論是局域性的，那麼它將與量子力學的預言相沖突，任何與量子力學一致的理論都必須是非局域性的。簡而言之，量子世界是非局域性的。

局域性是指物理客體如果不相互作用，不會相互影響。例如一個在地球，一個在月球，就不應該互相影響。經典世界是局域性的，量子世界是非局域性的，非局域性就是沒有相互作用也會相互影響。

爲什麼沒有相互作用也會相互影響？兩個物體有關聯就會互相影響。例如，母女是一種身份關聯，如果女兒生了孩子，身份會變化成爲母親，而當她的身份發生變化，她的母親會自動變成外婆，身份也隨之改變。這就是因爲母女身份的關聯導致一個身份變了，另外一個身份同時改變，這個變化是瞬時的，不需要傳送任何信息就可以改變，所以關聯是互相影響的，量子世界也是這樣。

“EPR佯謬”是一個關聯，我們要求A和B兩個粒子自旋總是相反，這就意味着這兩個粒子的自旋，物理量是關聯的，關聯就會互相影響，所以A的自旋發生變化，B馬上也會變化，這種量子關聯就叫“糾纏態”。

“糾纏態”就是關聯，關聯會導致瞬時變化，不需要傳送任何信息。很多科普文章說“糾纏”就是超光速，這是完全錯誤的。糾纏來自於關聯，關聯的變化不需要傳送信息，也就不存在超光速。

例如說A和B處在“糾纏態”，兩個自旋總是相反，物理要求讓它們關聯起來。測量A向上，B瞬時就發生向下；如果測量B向上，A瞬時也發生向下，這之間存在先後。如果同時測量A和B的自旋，由於同時測量沒有因果關係也就沒有先後，則必然出現以下兩種情況的一種：要麼A向上B向下，要麼A向下B向上。

如果有100對“糾纏態”的粒子，100個A放在地球，100個B放在月球，同時測量所有的A和B，測量以後會出現什麼情況？地球上測量A，向上向下是隨機數。月球上的B也是隨機數，看起來好像沒有關係，實際上，這兩個隨機數是完全關聯的。單看隨機數是隨意的，但兩個進行比較一定是關聯的，而且是嚴格的關聯。

何爲“關聯”？在A向上的位置上所對應的B一定向下，在A向下的位置上所對應的B一定向上，因爲它們一定相反，所以這兩個都是完全關聯。AB自旋總是相關，糾纏的本質就是量子關聯。利用這個特性，可以用來做一件有意義的事——量子密碼。一對一對的發生糾纏對，例如一對到Alice，一對到Bob，同時測量向上向下的自旋，最後得到的是兩個完全一樣的隨機數，就可以作爲密碼。

量子世界的非局域性導致EPR實驗中“幽靈”的產生，這“幽靈”就是量子糾纏，其物理本質就是“量子關聯”。量子力學是完備的，“局域隱參數理論”是不成立的。量子沒有錯，錯的是不瞭解量子世界非局域性的量子關聯，正是量子關聯導致“幽靈”出現。

04

人類距離量子計算機還有多遠？

隨着世紀爭論落下帷幕，量子信息誕生了，人類社會進入第二次量子革命的新歷史時期。第一次量子革命伴隨量子力學的誕生而來，讓我們擁有了電腦、手機、互聯網等經典技術。量子信息則帶來了量子計算機、量子傳感，量子技術的出現來源於量子原理，但技術本身是量子的，所以我們稱爲第二次量子革命。

第二次量子革命產生的最重要的技術就是量子計算，這是一項顛覆性技術。量子計算機如果得到普遍應用，人類社會將發生翻天覆地的變化。算力會提高到新的層次，量子算力會以指數級增長超越現有的經典算法，超越現在的超級計算機。

量子計算機可以實現超級計算機無法完成的工作。例如，現在的動態密鑰電子計算機無法破解，但量子計算機可以。如果把量子算力加上人工智能，10年以後就會誕生量子人工智能的新學科，量子算力的提高是量子信息發展裡最重要的影響。

在研究量子計算機的過程中，還面臨兩大主要障礙。第一個是“消相干”問題。量子計算機是宏觀的量子器件,環境不可避免地破壞量子特性，稱之爲“消相干”,它會導致量子計算機自動地變成經典計算機,喪失並行運算能力。爲了應對環境破壞下計算可靠的問題，科學家提出“容錯糾錯編碼原理”，理論上可確保在消相干環境中量子計算機能可靠正確運行，但實際技術很難做到。

第二個困難是人類尚未掌握精確操控量子狀態和演化的技術，因此無法制備和精確操控量子比特數較多的量子芯片。

用於量子信息存儲的量子編碼是將有噪聲的若干量子物理比特，變成一個沒有噪聲的邏輯比特。噪聲會帶來計算錯誤，用無噪聲的邏輯比特作爲處理數據單元，數據就能保持完整。

這個編碼實際上是把N個量子比特變成一個特殊的“糾纏態”，這個“糾纏態”的整體叫邏輯比特。用邏輯比特作爲信息的處理單元，就是沒有噪聲的信息信號，這就是量子容錯。如果量子比特的質量好，保真度高，那麼編一個邏輯比特所需要的物理比特量就少，這就是保證量子編碼的原理。

容錯編碼可以用於糾正操作過程的錯誤。當操作的精度高於某個閾值，如99.999%，可以糾正操作過程的錯誤，使得即使在錯誤環境中仍可獲得可靠結果。通過量子計算機必須採用“編碼容錯”技術才能確保計算的可靠性。理論上可以實現，但現在我們的技術還達不到。

通用量子計算機需要約1000個邏輯比特，每個邏輯比特由約1000個物理比特編碼而成，因此，通用量子計算機需要百萬級量子比特。雖然距離技術實現還有很遠距離，但我們的進步非常快。

2016年，IBM公佈了全球首個量子計算機在線平臺，搭載5位量子處理器，用6個量子比特創造熒光，是人類歷史上第一次真正將量子處理器作爲實際應用。2019年，IBM又推出全球首套商用量子計算機，命名爲IBM Q System One。

2024年1月6日，中國第三代超導量子計算機“本源悟空”上線運行。該量子計算機搭載72位自主超導量子芯片“悟空芯 ”(共198個量子比特，包含72個工作量子比特和128個耦合量子比特)，是目前中國最先進的可編程、可交付超導量子計算機。這是在受到西方國家嚴格制裁下，完全自主可控研發的產品。

“本源悟空”上線後影響很大，全世界有90個國家的64萬人訪問了雲計算，其中有9萬人帶着問題在計算機上運行，現在已經完成了8萬個項目。我國的量子計算水平目前位於國際第一梯隊，但與美國還有差距，日本、德國等正努力趕上，我們還要繼續努力。

美國最近有兩個非常重要的進展，第一個是IBM使用分塊聯接的方式擴展量子比特，發佈了第一個1000量子比特量子芯片。第二個是哈佛大學米哈伊爾·盧金研究組發佈了第一臺基於可重構原子陣列的邏輯量子處理器，成功在一個具有280個物理量子比特的系統中，製備48個邏輯量子比特，爲開發真正可擴展和容錯的量子計算機奠定了基礎。

量子計算已從僅追求量子比特的增加進入到研發“邏輯量子比特”的新階段。當然，距離實現通用量子計算機還有相當長的路要走。如果將量子計算髮展看作一個人的成長，那現在我們大概還在七八歲左右。