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      JIC TALKS
      JIC講堂第七期 | 量子信息與量子計算研究和應用前景
      隨著萬物互聯時代的到來,人類對算力的需求呈現指數級增長,推動人類對量子領域的研究與探索。當前,研制量子計算機已成為大國之間角逐的繼人工智能和5G之后的又一焦點。

      與此同時,“十四五規劃”建議中也指出,“要瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學等前沿領域,實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目?!眹覒鹇缘闹С忠馕吨?,我國量子領域發展即將進入快車道,并迎來更多政策方面的扶持與利好。

      那么,我們該如何理解量子信息和量子計算?量子計算機的問世將為科技領域帶來哪些變革性力量?被視作未來科技“新引擎”的量子科技,會對人類的未來產生哪些顛覆性的影響?

      12月17日,JIC講堂特邀首都師范大學數學科學院特聘教授費少明做客建投書局,以“量子信息與量子計算研究和應用前景”為主題,對包括量子比特、量子并行計算和量子克隆等在內的量子信息與量子計算的基礎知識進行科普,通過闡釋量子科技在我國的發展概況,由淺入深地為大家構建關于量子科技的認知體系,共同探討量子領域相關研究的應用前景和階段性問題。
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      活動現場實況
      • 費少明 首都師范大學數學科學院特聘教授

        一、 量子物理的發展演化

        量子是現代物理的重要概念,即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,并把最小單位稱為量子。量子物理已經有120年的歷史了,在核能、納米科學、激光、半導體等各個領域都起到了非常重要的作用。

        比如,電腦里面的CPU芯片就是典型的半導體,它用到了量子力學的能帶理論,硬盤用到了巨磁阻效應,光驅是原子的受激發射原理,顯示器是光的受激輻射。

        量子物理不光是跟物理有關的領域,在量子化學、量子生物學等所有近代科技的前沿領域都有非常重要的應用。大家平時沒有感覺到量子物理有多重要,是因為量子力學在微觀領域起作用,比如原子能級;在宏觀領域起作用的則是牛頓力學。

        微電子技術已經造就了信息產業幾十年的輝煌,但是現在當計算機芯片的尺寸越做越小,縮小到一定時候量子力學的效應就要產生了。經典的歐姆定律是,電燈兩邊加一個電壓,電場驅動電子運動來形成電流,電流的大小和電壓的大小成正比,和燈泡的電阻成反比。但進入微觀以后,電子的運動就不滿足歐姆定律了,而要用量子力學去描述。


        二、量子計算機創造“量子霸權”

        去年,美國谷歌公司用了53個超導做的量子比特建造了一臺叫做“懸鈴木”的量子計算原型機。這個計算機的運算速度非???,現在經典的計算機要算上大概1萬年的計算,它只需要3分20秒。這個成果發在頂級雜志《Nature》上時,被描述為量子芯片已經完全超越了經典的超級計算機,這叫做量子優越性或者量子霸權。

        不久前,中科大的潘建偉院士等組建了一個叫做“九章”的量子計算機,這臺計算機的量子比特用的是光子,是一種“玻色子取樣”。它的速度比超級計算機快100萬億倍,同樣的計算,“九章”需要計算一分鐘,普通的計算機要則需要計算1億年。求解5000萬個樣本的高斯玻色子取樣的話,“九章”需要算200秒,超級計算機則要算6億年。等效地看,“九章”比“懸鈴木”要快100億倍。

        這是信息通信研究院今年11月份統計的數據,很多國家都在量子技術方面有非常大的投入。IBM、Google、英特爾、微軟、Honeywell、亞馬遜等全球各個大公司也在建造量子計算機、原型機等方面有非常多的投入。


        二、 量子信息的處理和應用

        什么是信息?比如說天氣,可能是晴天、陰天或者下雨天,你原來不知道,但在天氣預報里面聽到了,你就獲得了一定的信息。如果要對信息進行處理,就得給一個度量,否則在數學上沒法處理。

        對于信息處理,使用的工具不同,信息處理的方法就不一樣。信息理論有一個經典的概念理論:要把信息送過去,就把這個比特發送到對方那里去。這個比特有時候是正面,有時候是反面,是0和1不同的狀態。

        量子現象不一樣的地方是,本來要發送一個比特過去,現在發送的比特不是一個簡單的硬幣而是一個量子,那么就要先質變一個量子態;質變好之后,再把量子的狀態發送給對方,對方收到之后也要測量一下。

        經典比特只有兩個狀態,要么是0,要么是1。量子比特的狀態不是0或者1,而是一個二維的負矢量,它處于把0和1加在一起的狀態。這就是量子力學最重要的一個原理,叫做量子力學的遞加原理,遞加的意思就是求和加起來。

        所以,量子力學和經典力學完全不同的地方在于,量子力學的兩個狀態是可以疊加在一起的。比如一個人滑雪,如果是一個量子的話,這里有一棵大樹,他有可能往這邊走,也可能往另一邊走。這兩種狀態的疊加態,就是量子信息理論的測量方式。

        以天氣為例,信息的度量有三種可能,比如陰天的概率是50%,晴天的概率30%,下雨天的概率20%。如果告訴你明天是陰天或者是晴天,數學上就說一個變量大X,它攜帶的信息量就等于大X除小X值,這個大X就是晴天,它是一個變量,它有很多除值。

        比如除1就是陰天,除2就是晴天,除3就是下雨。所以信息的度量就描述你對這個變量無知的程度,你對它越是一竅不通,你得到這個信息以后信息量增加的越多。

        量子信息理論可以用于量子保密通信。經典保密通信有兩種,一種是沒有密碼的保密通信,一種是有密鑰的保密通信。

        在經典的保密通信里面,竊聽是無法被檢測的。密碼無論是用郵件發,還是打電話,還是找人傳遞,都不能保證這個密碼中間沒有被泄露。而量子比特就可以用來克服信息泄露的問題。

        因為量子中有一個“量子克隆定理”,一個未知的量子有一個量子比特,你不知道它是什么狀態,因此無法做出復制。如果不測量它,就什么信息都不知道。而一旦測量它,它的狀態就會發生改變,因此無法對它進行復制拷貝。所以,量子保密通信里面竊聽是可以被檢測出來的。

        三、 量子計算的現狀和階段性問題

        簡單說一下量子力學。首先要有一個“態”的描述,量子力學的態就是一個矢量,比如說一個量子比特就是一個二維矢量?;旌蠎B就是一個矩陣,它可以描述所有量子系統的狀態。

        如果想知道關于這個態的任何信息,就要做測量,只能測實的東西,比如能量、質量和速度。如果你測量的是一個概率分布,比如這個粒子出現在這個地方或者那個地方的概率是多少,就會得到一個概率分布。

        量子態會隨著時間變化,每一個系統都在隨著時間變化。如果是一個孤立系統,就會成一個幺正變換,幺正變換就是我們通常說的量子門,即從一個狀態變成另外一個狀態。我們對初始態做一些幺正變換和測量后,會得到一個末態,如果這個末態就是你所需要的結構,那么這個量子計算就算完成了。

        經典的計算是有一大堆經典的比特,每一個的狀態不是0就是1,相當于高定位、低定位兩個狀態,需要用一大堆經典的門來控制這些狀態,讓它從0變成1。

        目前,我國在量子密碼方面跟國際水平是相當的,甚至在某些方面是領先的。量子因特網的發展和國際先進水平也相當。而量子計算方面,我們的理論工作是具有國際先進水平的,但在實驗工作方面明顯落后于國際水平。

        量子技術具有廣闊的應用前景。量子陀螺可以應用在導航上面,比如量子精密測量方面會大幅提升激光制導、水下定位、醫療檢測和引力波探測等的準確性和精度。

        比如水下自主導航,傳統的導航是潛水艇在下面,航行100天以后可能會產生10公里的誤差。為了重新定位,就要定期浮到水面上來利用衛星做定位修正。如果用到量子精密測量技術,航行100天以后產生的誤差可能小于幾百米,不需要衛星的定位修正就可以進行長期潛伏。

        未來,量子計算機的制造和應用將大大提高計算速度和處理速度,量子通訊也將帶來更安全的保密通信。同時,量子計算在交通規劃、航天、人工智能、金融交易等方面應該會發揮非常大的作用,所有領域都將在量子技術發展的影響和帶動下發生變革性的變化。


        具體內容敬請關注中國建投官方微信公眾號“JIC投資觀察”文章——1分鐘完成1億年計算任務,量子是如何做到的?

        感謝您的耐心閱讀。

        費少明 首都師范大學數學科學院特聘教授
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        費少明
        首都師范大學數學科學院特聘教授
        費少明
        首都師范大學數學科學院特聘教授
      費少明 首都師范大學數學科學院特聘教授

      一、 量子物理的發展演化

      量子是現代物理的重要概念,即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,并把最小單位稱為量子。量子物理已經有120年的歷史了,在核能、納米科學、激光、半導體等各個領域都起到了非常重要的作用。

      比如,電腦里面的CPU芯片就是典型的半導體,它用到了量子力學的能帶理論,硬盤用到了巨磁阻效應,光驅是原子的受激發射原理,顯示器是光的受激輻射。

      量子物理不光是跟物理有關的領域,在量子化學、量子生物學等所有近代科技的前沿領域都有非常重要的應用。大家平時沒有感覺到量子物理有多重要,是因為量子力學在微觀領域起作用,比如原子能級;在宏觀領域起作用的則是牛頓力學。

      微電子技術已經造就了信息產業幾十年的輝煌,但是現在當計算機芯片的尺寸越做越小,縮小到一定時候量子力學的效應就要產生了。經典的歐姆定律是,電燈兩邊加一個電壓,電場驅動電子運動來形成電流,電流的大小和電壓的大小成正比,和燈泡的電阻成反比。但進入微觀以后,電子的運動就不滿足歐姆定律了,而要用量子力學去描述。


      二、量子計算機創造“量子霸權”

      去年,美國谷歌公司用了53個超導做的量子比特建造了一臺叫做“懸鈴木”的量子計算原型機。這個計算機的運算速度非???,現在經典的計算機要算上大概1萬年的計算,它只需要3分20秒。這個成果發在頂級雜志《Nature》上時,被描述為量子芯片已經完全超越了經典的超級計算機,這叫做量子優越性或者量子霸權。

      不久前,中科大的潘建偉院士等組建了一個叫做“九章”的量子計算機,這臺計算機的量子比特用的是光子,是一種“玻色子取樣”。它的速度比超級計算機快100萬億倍,同樣的計算,“九章”需要計算一分鐘,普通的計算機要則需要計算1億年。求解5000萬個樣本的高斯玻色子取樣的話,“九章”需要算200秒,超級計算機則要算6億年。等效地看,“九章”比“懸鈴木”要快100億倍。

      這是信息通信研究院今年11月份統計的數據,很多國家都在量子技術方面有非常大的投入。IBM、Google、英特爾、微軟、Honeywell、亞馬遜等全球各個大公司也在建造量子計算機、原型機等方面有非常多的投入。


      二、 量子信息的處理和應用

      什么是信息?比如說天氣,可能是晴天、陰天或者下雨天,你原來不知道,但在天氣預報里面聽到了,你就獲得了一定的信息。如果要對信息進行處理,就得給一個度量,否則在數學上沒法處理。

      對于信息處理,使用的工具不同,信息處理的方法就不一樣。信息理論有一個經典的概念理論:要把信息送過去,就把這個比特發送到對方那里去。這個比特有時候是正面,有時候是反面,是0和1不同的狀態。

      量子現象不一樣的地方是,本來要發送一個比特過去,現在發送的比特不是一個簡單的硬幣而是一個量子,那么就要先質變一個量子態;質變好之后,再把量子的狀態發送給對方,對方收到之后也要測量一下。

      經典比特只有兩個狀態,要么是0,要么是1。量子比特的狀態不是0或者1,而是一個二維的負矢量,它處于把0和1加在一起的狀態。這就是量子力學最重要的一個原理,叫做量子力學的遞加原理,遞加的意思就是求和加起來。

      所以,量子力學和經典力學完全不同的地方在于,量子力學的兩個狀態是可以疊加在一起的。比如一個人滑雪,如果是一個量子的話,這里有一棵大樹,他有可能往這邊走,也可能往另一邊走。這兩種狀態的疊加態,就是量子信息理論的測量方式。

      以天氣為例,信息的度量有三種可能,比如陰天的概率是50%,晴天的概率30%,下雨天的概率20%。如果告訴你明天是陰天或者是晴天,數學上就說一個變量大X,它攜帶的信息量就等于大X除小X值,這個大X就是晴天,它是一個變量,它有很多除值。

      比如除1就是陰天,除2就是晴天,除3就是下雨。所以信息的度量就描述你對這個變量無知的程度,你對它越是一竅不通,你得到這個信息以后信息量增加的越多。

      量子信息理論可以用于量子保密通信。經典保密通信有兩種,一種是沒有密碼的保密通信,一種是有密鑰的保密通信。

      在經典的保密通信里面,竊聽是無法被檢測的。密碼無論是用郵件發,還是打電話,還是找人傳遞,都不能保證這個密碼中間沒有被泄露。而量子比特就可以用來克服信息泄露的問題。

      因為量子中有一個“量子克隆定理”,一個未知的量子有一個量子比特,你不知道它是什么狀態,因此無法做出復制。如果不測量它,就什么信息都不知道。而一旦測量它,它的狀態就會發生改變,因此無法對它進行復制拷貝。所以,量子保密通信里面竊聽是可以被檢測出來的。

      三、 量子計算的現狀和階段性問題

      簡單說一下量子力學。首先要有一個“態”的描述,量子力學的態就是一個矢量,比如說一個量子比特就是一個二維矢量?;旌蠎B就是一個矩陣,它可以描述所有量子系統的狀態。

      如果想知道關于這個態的任何信息,就要做測量,只能測實的東西,比如能量、質量和速度。如果你測量的是一個概率分布,比如這個粒子出現在這個地方或者那個地方的概率是多少,就會得到一個概率分布。

      量子態會隨著時間變化,每一個系統都在隨著時間變化。如果是一個孤立系統,就會成一個幺正變換,幺正變換就是我們通常說的量子門,即從一個狀態變成另外一個狀態。我們對初始態做一些幺正變換和測量后,會得到一個末態,如果這個末態就是你所需要的結構,那么這個量子計算就算完成了。

      經典的計算是有一大堆經典的比特,每一個的狀態不是0就是1,相當于高定位、低定位兩個狀態,需要用一大堆經典的門來控制這些狀態,讓它從0變成1。

      目前,我國在量子密碼方面跟國際水平是相當的,甚至在某些方面是領先的。量子因特網的發展和國際先進水平也相當。而量子計算方面,我們的理論工作是具有國際先進水平的,但在實驗工作方面明顯落后于國際水平。

      量子技術具有廣闊的應用前景。量子陀螺可以應用在導航上面,比如量子精密測量方面會大幅提升激光制導、水下定位、醫療檢測和引力波探測等的準確性和精度。

      比如水下自主導航,傳統的導航是潛水艇在下面,航行100天以后可能會產生10公里的誤差。為了重新定位,就要定期浮到水面上來利用衛星做定位修正。如果用到量子精密測量技術,航行100天以后產生的誤差可能小于幾百米,不需要衛星的定位修正就可以進行長期潛伏。

      未來,量子計算機的制造和應用將大大提高計算速度和處理速度,量子通訊也將帶來更安全的保密通信。同時,量子計算在交通規劃、航天、人工智能、金融交易等方面應該會發揮非常大的作用,所有領域都將在量子技術發展的影響和帶動下發生變革性的變化。


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