鄭亞銳：大家下午好，很榮幸在這里跟大家分享一下研究的內(nèi)容,。我們做的是跟量子計算有關(guān)的東西,，經(jīng)常會有同學或者朋友問我說你們做量子計算干什么用的，有什么用,？我會跟他們說,，我喜歡做量子計算，我們追求的是一個計算的極限,。因為像我們現(xiàn)在計算機已經(jīng)做得非常強大,，但是依然會面臨很多在科學上或者在生活中無法處理的問題，量子計算有一個進一步突破的可能性,。

首先人類為什么需要計算這個東西呢,？我們可以回想，從遙遠的遠古時代,，我們還在茹毛飲血的時候,，很多人會去打獵,，打獵回來的東西如何做計數(shù)？如何去平分,？這個時候就涉及很簡單的一些加減乘除,，技術(shù)方面的一些需求了。

在古代,，科技還沒有那么發(fā)達的時候,，一般人們是用手頭上可以拿到的，比如說石頭,、貝殼或者拿一根繩子,，或者我們的手（來做計算）。因為大家知道我們現(xiàn)在用的都是十進制數(shù),，為什么是十進制,，因為我們?nèi)擞惺种割^。地球上不同地區(qū)的人,，都很自然而然選擇了十進制,，就是因為我們有十根手指頭。

但是隨著社會的發(fā)展,，比如說開始出現(xiàn)農(nóng)業(yè)社會,，人可以蓋房子。這里面涉及到一個問題,，我們要種田,，我們田地的面積是多少？包括我們建房子的時候,，比如一個木材要多長,，需要多少木料？這些問題在我們的社會生活中越來越多,。那么像之前我們用手指頭數(shù)數(shù)的方式,，已經(jīng)不適合我們?nèi)粘Ｉ畹男枰Ｈ藗兙烷_始尋求更加適用不同環(huán)境下的計算方式,。

像劉徽在《海島算經(jīng)》提出的問題,，包括如何計算山的高度，這就需要更復雜的工具幫助我們計算,。比如如何計算海島的高度,，我們這里有一個海島，太陽光照射下來,，它會投下一個影子,。這時候這里有個人，太陽光會給人照射一個影子,，形成一個近似三角形,，人有一個比例,，山也有一個影子有一個比例，我們通過計算影子的比例,，就能夠大致推算出山的高度,。但是這些比較復雜的計算，就不可能用簡單的數(shù)手指頭的方式進行了,。

我們中國的,、以及世界各地的人們都有智慧，比如我們中國古代發(fā)明了算籌這樣的工具,，它就是很簡單的幾根小木棍,，通過不同的擺放方式表示不同的數(shù)字，再通過簡單的規(guī)則進行加減乘除的運算,。后來人們又發(fā)明了算盤,，大家可能學過,，下面的算盤有五個子,，每個子代表一，上面有兩個子,，每個子代表五,。在我們的計算機發(fā)明以前，算盤其實還是我們主要的計算工具,。

但是隨著歐洲文藝復興的興起,，生活的各方面都有了很大的改變，我們的科學,，從哥白尼第一次發(fā)表他的日心說開始,，科學技術(shù)包括經(jīng)濟方面都有很大的發(fā)展。

比如科學上,，開普勒在天文觀測的基礎(chǔ)上,，發(fā)明了開普勒定理；牛頓根據(jù)開普勒定理,，提出了萬有引力定律,，提出了微積分。這些新興科學的發(fā)展,，對我們的計算,，提出了更高的要求。比如你要去計算行星的軌跡,，要做很多的運算,。因為一個行星的運動，我們現(xiàn)在知道它是一個橢圓運動,，但是當年在觀測的時候,，人們并不知道它是一個橢圓運動,。當你在觀測行星的時候，可能一會兒向前運動,，一會兒向后運動,。那么人們?nèi)绾沃浪鋵嵤且粋€圓心的軌道呢？經(jīng)過了無數(shù)的觀測以后,，他們提出了模型,，然后按照數(shù)學模型去做一些運算，才得出來這樣一個結(jié)論,。這里面涉及到很多復雜的運算,，光靠之前簡單的計算工具效率可能不是特別高。所以大家就提出說是不是可以靠機器代替人去進行運算,。

在十七世紀的時候,，帕斯卡開始做了這樣一個嘗試。他發(fā)明了一個機械加法器,，因為加減法大家知道是比較簡單的,，一加一等于二，他就基于這樣一個簡單的想法,，發(fā)明了一個齒輪,，你轉(zhuǎn)一下就代表1，轉(zhuǎn)兩下代表2,。比如你要做一個一百加一百的加法,，有三位數(shù)字，你就這邊轉(zhuǎn)幾下,，每一位都會轉(zhuǎn)相應(yīng)的步數(shù),，加上另一個數(shù)各轉(zhuǎn)一下，他就可以做一個簡單的加法器,。萊布尼茨在帕斯卡加法器的基礎(chǔ)上,，又發(fā)明了乘法器和除法器。因為我們平常的計算就是加減乘除,，所以萊布尼茨的計算器就可以滿足我們很多的需求,。

我們可以看一下內(nèi)部的構(gòu)造，都是一些簡單的齒輪結(jié)構(gòu),。

第一個是十進制的進位齒輪,，它每轉(zhuǎn)十圈，就會往前輪轉(zhuǎn)一下,，這樣可以實現(xiàn)多位的數(shù)字計算,。

第二個是萊布尼茨發(fā)明的乘法長軸，大家可以看到上面有一個橫桿,，代表了一二三四五六,，越往后那個齒輪數(shù)越多,，這樣的話它可以根據(jù)不同的位置，執(zhí)行不同的加法,。因為大家知道乘法,，其實就是不同的加法組成的。包括這個,，這個其實是一個數(shù)字鍵盤,，比如說這個是1，這個是9,，你這個按一下,，齒輪會動一下，然后這個（齒輪會）動九下,，（這樣就輸入了九）,。后來技術(shù)革新，比如乘法長軸,，因為它雖然可以做乘法,，但是它的尺寸比較大。因此后來人們又進行改進,，把它壓縮成了可以變的齒輪,。

在這個基礎(chǔ)上，一直發(fā)展到大約十七,、十八世紀的時候，已經(jīng)可以做出非常復雜的計算器件,。這是一個典型的機械計算機,，大家可以看到它非常復雜，它有很多的鍵盤,，這個是用來輸入的,，上面一排是用來輸出的，它可以做加減乘除運算,，這個跟我們現(xiàn)在用的計算器有點類似,，但是它是機械的，可以看到當年的技術(shù)是非常先進的,。這個大概有多大呢,？可能像一個電話機那么大。

計算器還只能做加減乘除運算,，而在我們的實際運用中,，需要做很多的科學計算，比如質(zhì)數(shù)運算,、三角函數(shù)等等,，之前的計算器還不能滿足這個需求,。在十八、十九世紀的時候,，巴貝奇提出了一個差分機的思想,。大家可能聽說過，數(shù)學上比較復雜一點的函數(shù),，像對數(shù),、指數(shù)、三角函數(shù),，都可以分解成平方或者立方的關(guān)系的綜合運算,。

巴貝奇的想法是，我建造一臺這樣的機子,，可以自動把這些函數(shù),，分解成加減乘除的計算。這樣的話我就可以執(zhí)行很復雜的計算,，他把這個機器命名為差分機,。他把圖紙都設(shè)計出來了，但是很可惜的是因為當時經(jīng)濟條件或者技術(shù)水平不足,，巴貝奇最終也沒能夠把這臺機器完成,。

但是他的思想是很超前的，因為在巴貝奇那個年代,，只有做加減乘除計算的機器,，復雜運算是從他提出來的差分機才開始，標志著計算器往現(xiàn)代計算機發(fā)展,。后來為了紀念巴貝奇的兩百周年的誕辰,，那時候才真正建成了第一臺差分機。大家可以看到這是非常復雜的一臺機器,，它可以做三角函數(shù),，或者指數(shù)對數(shù)的這樣一種運算。當然跟我們現(xiàn)在的計算機比起來,，它的性能還是差很多,，但是在當時已經(jīng)算是非常先進的一臺機器了。

那么什么時候開始出現(xiàn)我們現(xiàn)在意義上的這種計算機,？這個其實還是要從巴貝奇說起,。他發(fā)明了另一種機器，叫做分析機,。

巴貝奇有一年在法國的世界博覽會上,，看到了中國的提花繡花機，它在我們織布的時候，給它繡上圖案,。因為所謂織布無非是一些橫向的線和縱向的線交叉疊在一起,，你要繡上一些圖案怎么辦呢？那你要用交叉縫紉機,，縫這些橫線和豎線的時候,，有時候就把這個線稍微埋下去，或者連上不同顏色的線,，這樣你就可以在布上繡出不同的花紋和圖案,。

當你要做繡花圖案非常復雜、或者非常大的時候,，你很難靠人工的方法一根一根提出來,。當時中國人很有智慧，他在一張卡片上打上很多洞洞,，因為自動繡花機是可以鉤針的,，可以把繡布的線鉤起來，根據(jù)織布機的型號,，制作這樣類似的紙片,，然后在要繡花的地方，去打上洞,。這時候織布機在有洞的地方會把線提起來,，無洞的地方就會復原，這樣就可以實現(xiàn)對非常復雜圖案的控制,。

巴貝奇看到這個想法,，覺得非常好。它解決了什么問題呢,？巴貝奇雖然設(shè)想出了差分機的結(jié)構(gòu),，可以用來執(zhí)行很復雜的數(shù)學運算，但他不能用來執(zhí)行更復雜的運算,。因為有很多計算是由很多步組成的，你在運算的時候,，需要用很多人力成本不斷重復這個操作,，非常費事。所以巴貝奇的想法類似提花機的原理,，我做一些孔,，讓這些機器自動按照這些孔做運算。他就設(shè)計了一種方案,，叫做分析機的讀卡器,。

他在一個鋼板上打上一個洞，這個機器會根據(jù)洞的位置，有洞的地方,，棍子會下去,，它可以牽動機器落下去走動。前面也說了他的差分機,，因為經(jīng)濟或者當時加工技術(shù)的問題,，最后沒有做成，然后分析機也只是設(shè)計出來一個圖紙,。直到后來現(xiàn)代工業(yè)革命之后,，有這個條件才實現(xiàn)。但是他這個思想在當時是非常先進的,，這就是我們現(xiàn)代的計算機最最原始的技術(shù),。

到了十八世紀的時候，科學也在進步,，像奧斯特和法拉第他們發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律,，包括電流可以產(chǎn)生磁場，磁場也可以產(chǎn)生電場,。到亨利發(fā)明了繼電器之后,，很多的計算部件開始可以替代為電磁的部件。因為大家知道純機械的部件,，它的尺寸是非常大的,，它的建造成本非常高。有了電磁繼電器之后,，很多控制部件就可以用這個來替代掉,，它的尺寸就可以大大縮小。

第一個運用電磁的原理進行計算,、統(tǒng)計的是美國的霍爾瑞斯,，十九世紀，美國要做人口科普調(diào)查,。因為當年美國人口暴漲,，因此每隔十年要做一次科普調(diào)查，并對調(diào)查回來的數(shù)字進行統(tǒng)計,。但是他們發(fā)現(xiàn),，調(diào)查回來的數(shù)據(jù)，可能需要統(tǒng)計八年才能分析完,，這樣的話相當于你調(diào)查一次要不停地工作,，才能把這個數(shù)據(jù)統(tǒng)計完。更可怕的是那時人口是在暴增的狀態(tài),，所以這個調(diào)查人口的效率非常低下,。

霍爾瑞斯就提出了一個方案,，就是在人口調(diào)查表上做成一種形狀，每一個小方塊卡片都是一個調(diào)查的問卷,。比如說你的出生年月,，你的性別，都可以在這上面通過答題,，類似大家經(jīng)過中考,、高考的時候的讀卡器，不過他當時用的是打孔的方法,。打上孔之后,，放在這樣一個讀卡器上，這些都是探針,，底下是水銀,。如果你在上面有壓力的話，這個針就會壓到水銀上,，這樣的話電路會連通,，然后他利用繼電器，電路連通后,，繼電器包括電機可以轉(zhuǎn)動起來,，最后實現(xiàn)自動化的統(tǒng)計。這是第一次運用電磁原理實現(xiàn)統(tǒng)計,。他這個機器叫做制表機,，它不能執(zhí)行特別復雜的運算，和我們現(xiàn)代意義上這種計算機的結(jié)構(gòu)是不同的,，所以它只是實現(xiàn)了一個比較簡單的功能,。

真正利用電磁原理和器件做出計算機的，是德國的祖思,。他以前在一家公司負責統(tǒng)計數(shù)據(jù),，那時他也是使用機械計算機，他每次工作的時候,，要不斷輸數(shù)據(jù),，不斷搖計算器。他覺得這樣效率特別低,，所以他就開始思考,，有沒有什么方法，可以自動地實現(xiàn)計算,。祖思發(fā)明了很多代的計算機，祖思機的型號從Z1到Z4,。但很可惜,，他發(fā)明祖思機的時候，大概是三十年代末到四十年代，那個時代正好是二戰(zhàn)時期,，德國在打仗,，他建造的機器，大概在1944年,，都被毀于戰(zhàn)爭之中,，這個是后來的復制品。

他這臺機器,，大家可以看到也是有穿孔器的,，他完全可以實現(xiàn)穿孔式程序的讀取，這是他的鍵盤,，這是顯示面板,，這是CPU，這個跟我們現(xiàn)在的計算機很像了,。應(yīng)該說他是歷史意義上第一臺具有現(xiàn)代計算機架構(gòu)的電腦,。

大家可以看一下它運行時候的樣子，上面這些都是繼電器,，底下是它的編程方法,，這有一個打孔器，需要手動打孔,，然后編程,、計算運行，這是顯示面板,，可以把計算的結(jié)果顯示出來,。如果大家對于計算機歷史有點了解的就會知道，這個就是程序卡,，他是打孔輸入的,。這是當年第一臺真正意義上的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的電腦，有內(nèi)存,，有CPU,，可以輸入程序而且自動執(zhí)行程序的電腦。

在美國,，他們也建造了一臺類似的機器,，但是這臺機器更加龐大。在1944年的時候,，哈佛大學和IBM共同建造了 Mark I計算器,。大概有六百到七百多個輸入旋鈕，它可以輸入數(shù)字,。后面是它運行的結(jié)構(gòu),，這是它的顯示面板,。Mark I當時的運算速度大約是一秒鐘可以執(zhí)行三次的加法或者減法，做乘法的時候,，一次最多需要六秒,，除法需要十秒。這在當年來看,，已經(jīng)比人手算的速度快很多了,。大家可以看一下運行前安裝的程序帶，其實也是靠打孔識別程序,，這是它在安裝程序帶的時候,，可以看到這個像掛面一樣，非常長的程序,。

我們前人做了這么多的機器,，在二十世紀大概三十年代到四十年代的時候，圖靈提出了比較抽象的理論模型,，就是圖靈機,。圖靈機上面是一個程序帶，這個是狀態(tài)控制器,，有一個箭頭是讀寫箭頭,。圖靈機的意義在于他把之前所有的計算機抽象成一個運行模型。從這個時刻開始,，人類就可以從比較抽象或者比較規(guī)范的意義上,，來實現(xiàn)對通用機器模型進行分析。因為之前大家都是從一個非常實用的,，一個非?；A(chǔ)的角度來做計算機。但是圖靈把他做成了一個比較系統(tǒng)的模型,。

事實上人們會對計算有一個問題,，計算機是不是無所不能的？他是不是所有的東西都能算,？圖靈給出了一個回答：不是的,，計算機并不是所有的東西都能算的，他有算不了的問題,。他提出來一個問題說,，是否存在一個程序，可以判定任意程序最后會一直運行下去,？當然這個數(shù)學的證明過程可能有點繞,，但是不存在這樣一個程序可以判斷其他的程序是不是都能一直執(zhí)行下去。這在數(shù)學的意義上就在于它證明計算機對很多問題也是無能為力的,，有很多數(shù)學問題,，計算機也是給不了證明的,。這使得人們開始思考計算的一個極限的問題，如果不是所有的都能夠計算,，那么它能夠計算哪些問題呢？

到十九世紀的時候,，物理學發(fā)展得非?？欤瑴愤d在十九世紀末發(fā)現(xiàn)了電子,，弗萊明發(fā)明了電子管,。電子管技術(shù)的出現(xiàn)使得計算機的發(fā)展再次出現(xiàn)了突破。 

1946年,，?？颂睾湍死秒娮庸苤圃炝说谝慌_電子計算機，這種計算機重達30噸,，功耗140千瓦,，每秒鐘可以執(zhí)行五千次加法和三百次的減法。大家還記得剛才說的那個哈佛和IBM共同建造的那個Mark I,，那個大約只能一秒鐘進行三次減法,，所以它的運行速度比Mark I提高了一千倍，這在當時是非常大的突破,。

在建造第一臺電子計算機的過程中,，馮·諾伊曼也參與了這個過程，但有一個問題,，這臺計算機并沒有自帶存儲器,，數(shù)據(jù)輸出和輸入都不是很方便。馮·諾伊曼就提出了馮·諾伊曼架構(gòu)計算機,，這是我們現(xiàn)在所有經(jīng)典計算機的基本原形,。

在十九世紀末到二十世紀初，物理學的發(fā)展非常迅速,。首先普朗克提出量子化的假說,，德布羅意、玻爾等人對量子理論的推動,，使得量子力學得到了極大的發(fā)展,。玻爾對原子的能級結(jié)構(gòu)提出了一些解釋，在這個基礎(chǔ)上,，泡利,、薛定諤，特別是薛定諤提出了后來我們所熟知的薛定諤方程,，包括大家可能都聽說過的薛定諤的貓,，在那個時代人們開始對微觀領(lǐng)域?qū)で蟾羁痰恼J識,。

在對量子力學進行了深入研究之后，人們還研究了原子的結(jié)構(gòu),，因為我們知道物體是由很多原子組成的材料,，研究了原子之后，他們又對能帶結(jié)構(gòu)進而發(fā)展出了對半導體PN結(jié)的研究,。在1947年,，肖克利、巴丁,、布拉頓制備了第一個晶體管,，就是我們現(xiàn)在熟知的半導體結(jié)構(gòu)。也就是從這一刻開始,，人類開始邁進半導體時代,。1958年，基爾比發(fā)明了第一個集成電路,。Intel在1971年發(fā)布了第一臺微處理器芯片——4001,。這個芯片集成了兩千多個晶體管，每秒鐘能運行六萬次,，這又比1946年發(fā)明的第一臺電子管計算機提高了大約一個數(shù)量級,，計算速度至少有一個量級的提升。

大家可能知道,，最新一代的Intel酷睿處理器,，它的芯片每一個平方毫米上已經(jīng)集成了一億個晶體管，這可能是人類發(fā)明的性能最高的處理器,。 我們國家發(fā)明太湖之光,，超級計算機，大約用了四萬多個CPU,，經(jīng)過這么多年的發(fā)展以后,，它的性能已經(jīng)超過我們的想象。即使這么強的計算能力,，是不是已經(jīng)達到我們計算的極限了,？

顯然還不是，我們之前提到的量子力學,，就是玻爾等人他們發(fā)現(xiàn)的量子力學的基礎(chǔ)上,，人們發(fā)現(xiàn)用經(jīng)典計算機計算量子力學的理論非常困難。因為量子力學有一個疊加原理和糾纏原理,。疊加是什么意思,？比如我們現(xiàn)在坐在椅子上，你可以坐著和不坐著兩種狀態(tài)。你既有可能坐著,，也有可能不坐著這種狀態(tài),。假如我有三百個光子，你要完全用經(jīng)典計算機描述它們的這種行為的話,，是無能為力的,。

1981年，物理學家費曼提出了一個問題,，我們的計算機從物理上來說,，有可能模擬出我們現(xiàn)實中所有的物理現(xiàn)象嗎？當然費曼提出了一種設(shè)想,，既然量子力學那么復雜，那我們?yōu)槭裁床挥昧孔恿W模擬量子力學呢,？所以后來道奇在費曼這種思想的基礎(chǔ)上,，提出了量子計算機的一個模型，并給出了一個算法,，我可以用量子計算機來并行處理量子力學的難題,。

假如我有一個函數(shù)，我可以用量子計算機同時給這個函數(shù)輸入所有可能的輸入狀態(tài),，同時得到所有的結(jié)果,，這是量子力學一個最最基本的想法。它可以實現(xiàn)并行的計算,，這樣可以大大提高我們的計算速度,。后來舒爾提出了舒爾質(zhì)數(shù)因子分解算法，這個質(zhì)數(shù)因子分解算法跟我們生活息息相關(guān)了,，我們現(xiàn)在應(yīng)用的所有加密技術(shù),，公共密鑰加密技術(shù)，如果你能夠快速分解一個非常大的質(zhì)數(shù),，那么你就能夠破解這個公共密鑰,。舒爾發(fā)現(xiàn)，量子計算機可以比經(jīng)典計算機快非常多去破解一個大數(shù)的質(zhì)數(shù)因子分解,。舉一個例子,，比如咱們有兩千位的一個質(zhì)數(shù)要分解，那么經(jīng)典計算機需要用時可能超過宇宙年齡的時間才能夠把它分解出來,，但如果用舒爾算法,，有可能在一天內(nèi)就能把這個計算出來，所以這在當時引起了很大的轟動,。

雖然說量子計算機有可能去做非?？斓倪\算，它可以大幅度提升計算精度,，但它還有一個最大的問題,，是什么呢,？大家知道，量子這個東西,，它的準確度要求非常高,，你稍微有點錯誤，所有的計算結(jié)果都會產(chǎn)生錯誤,，有一點點的錯誤都不行,。這個錯誤率可能要10的負七、負八次方,，你相當于執(zhí)行一億次，大概只能有一次錯誤,，這個要求非常高的,。這個有什么辦法可以解決，因為要這么高精度的操控或者是計算,，是非常困難的,。

舒爾又提出了另一種思想，我可以用很多個量子比特當做一個比特用,。比如我把所有的比特編到同一個態(tài),，那么如果你有一個錯了，還可以看其他比特是不是錯了,。這樣的話相當于我用一種冗余的方案去比對,，即使你有一個錯了，我通過比對也可以把信息糾正回來,。

哪些東西可以用來做量子計算,？大家可能知道，原子還有離子,，這些微觀（粒子）都是遵循量子力學原理的,。所以這些粒子都可以用來做計算，包括我們的光子,。還有另外一些東西,，比如晶體中的晶格缺陷，比如硅片還有金剛石,，比如氮離子在晶格中組成的一個類似粒子的東西,。然后包括超導量子，它是由超導體組成,，這個也是可以用來做計算的，還有半導體的量子點。在這么多的體系里面,，簡單來說只要它具有某種量子特性,，就可以用來做量子計算,。

量子計算最大的問題，就是我剛才說的,，它的操控精度要求非常高，如果我們真要做一臺量子計算機出來,，有兩個要求,。一個是數(shù)量要足夠多,，一個是操控精度要足夠高,。操控精度方面，由于舒爾提出的糾錯算法,，我們可以用很多數(shù)量提升操控精度。比如說我剛才說到質(zhì)數(shù)分解那個密鑰,，它可能需要超過六個九或者七個九（99.9999%-99.99999%）以上的操控精度,。

最新的量子理論的研究表明，我們有可能使用精度只有兩個九或者三個九（99.9%）這樣的一個操控精度,，比如說一千個比特,，來編碼一個比特，用來做量子計算,。但是目前來說,，這依然是非常困難的一件事情,。如果大家平時有看新聞,，可以知道最近在美國，谷歌剛發(fā)布了一個72比特的樣品,。所以大家經(jīng)常問我的一個問題就是,，量子計算到底什么時候能夠用？大家可以看到,，它離實用化還是非常遠的,，在十年二十年內(nèi)，至少要把數(shù)量提上去,，它才有可能應(yīng)用,。

雖然說它現(xiàn)在的數(shù)量，不管是量子的數(shù)量還是操控的精度都不夠高。但是有一個好消息,，不管是操控精度,、質(zhì)量還有數(shù)量，它每年增長的速度都非?？?/span>,。我們可以看到IBM繪制的關(guān)于比特的性能圖，量子計算里專業(yè)術(shù)語有一個退相干時間,。大家可以看到它的時間,，大約每過兩到三年就會翻一倍，這是什么意思呢,？可能再過幾年,，它的操控精度就會比現(xiàn)在高很多。

在數(shù)量方面,，谷歌聲稱做到了72個量子比特,，但是在前幾年，大家可能還只做到了幾個比特,，所以說比特數(shù)量的增長也是非?？斓摹０ㄕf操控精度,，剛才我說了他的操控精度,，從理論上操控精度只要達到99%以上（而不是之前的99.9999999%），就可以來執(zhí)行這個糾錯,，可以實現(xiàn)一臺真正意義上的量子計算機,。

我簡單介紹一下超導，我們做的一個方向,，就是谷歌一直在做的超導量子計算機,。超導體是1911年由昂尼斯發(fā)現(xiàn)的。

超導是什么樣的現(xiàn)象呢,？我們都知道我們的金屬是可以導電的,，但金屬有電阻，你給金屬兩端加一個電壓,，它的電流跟電壓有一個比例關(guān)系,。這個比例關(guān)系（就是電阻），比如一根很細的線,，它的電阻可能是一歐姆,，然后昂尼斯發(fā)現(xiàn)，有一個金屬,，它在低溫底下,，低到負269度的時候,，它的電阻忽然消失了。大家覺得很奇怪,，說是不是儀表問題,，但是經(jīng)過反復測量，他確認電阻確實是已經(jīng)低于測量精度了,，它已經(jīng)沒有電阻了,，這是超導第一次被發(fā)現(xiàn)。

1933年,，邁斯納在他實驗的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),，超導體不僅是電阻消失了，還會產(chǎn)生一種完全的抗磁效應(yīng),。就是如果你把超導體放在一塊磁體上面,，比如說下面是磁體，上面是超導體,，這兩個東西會相互抵抗,。它會把上面的東西懸浮起來，這就是超導體,。甚至當你把整塊東西放到磁體上面,，這個磁力可以完全抵消它的重力，讓它飄浮起來,。

人們開始意識到,，超導體可能是種全新的物理現(xiàn)象，在大約（二十世紀）五六十年代,，物理學家巴丁等人提出了 BCS理論，解釋了超導這個現(xiàn)象,。

他的理論表示,， 每兩個電子組成一個庫珀對，這時候電子和電子會相互吸引,，形成一對相互吸引的庫珀對之后,，自旋為零，可以凝聚,，這使得它進入一種宏觀的量子態(tài),。之后約瑟夫森基于這個計算，假設(shè)了在超導體中間插入絕緣體,，它兩端的宏觀量子態(tài)會發(fā)生一些干涉效應(yīng),，會展現(xiàn)出非常神奇的量子效應(yīng)。即使你不去給它的兩端加電壓,，它都能夠維持一個電流,，相當于在兩邊超導體的影響下,，它中間的絕緣體也進入了超導態(tài)。因為它兩邊的超導體是電子的凝聚,，有一個宏觀的量子相位,，它的電流跟它兩端的相位差成正比。

約瑟夫森結(jié)有什么用呢,？就是可以用它來做比特,，怎么來做呢？我們可以用超導體,，如果說我們拿它來做比特,，讓它組成一個電感的電容器，因為電感會和電容組成一個振蕩電路,。有點類似在日光燈里的鎮(zhèn)流器,，你們?nèi)ラ_以前老的聚光燈，它都會閃幾下,，會發(fā)出振蕩,。電感和電容組成之后，可能是組成一個振蕩器,，這個振蕩器形成的量子能級是等間距排列的,。

如果我們在電路中有一個約瑟夫森結(jié)，它會出現(xiàn)一些不等間距排列的結(jié)構(gòu),，這就類似于一個原子,。因為它的能級不是等間距排列的，我們可以用原子能級相等頻率的微波去操控它,，最后實現(xiàn)我們的量子操控,。如果要做個類比，約瑟夫森結(jié)跟PN結(jié)很類似,，PN結(jié)是現(xiàn)在集成電路的基礎(chǔ),，約瑟夫森結(jié)很可能是下一代超導體計算機的一個基礎(chǔ)原件。

1999年,，臺灣的蔡兆申首次觀測到了超導電荷量子比特的相干振蕩?，F(xiàn)在超導量子發(fā)展是非常快的,，目前發(fā)展最快的是美國的谷歌和UCSB團隊,，他們在2013年開始做到一個單個比特的一個長壽命的，直接到2014年做到了5比特,，2015年是9比特,，2018年已經(jīng)做到了72個比特。大家可以看到這個發(fā)展速度是非?？斓?。

我們在2014年大約跟進研究,，現(xiàn)在也做到了20比特。當然目前發(fā)展（的比特）數(shù)量還是比較少的,，我剛才說了,，我們的超導量子計算機要真正使用，可能需要一億個量子比特,，目前我們還只有20個,，谷歌只有70個，這個看起來離實用化非常大,，可能讓人覺得有點失望,。但是如果我們回想起從16世紀他們做第一臺機械計算機開始，那時候可能還不如一個算盤算得快,，但是經(jīng)過了這么多世紀的發(fā)展,，到現(xiàn)在超級計算機已經(jīng)遠遠比算盤快得多[ZY1] ，超導量子計算的發(fā)展速度實際上比經(jīng)典計算機的發(fā)展速度還要快,。

所以一個受到廣泛關(guān)注的問題是：是不是超導計算機一定會遠遠超越經(jīng)典計算機,？我也不知道。因為在量子計算里現(xiàn)在還有一些未解決的根本問題,。 超導量子計算這個理論,，現(xiàn)在沒有人能嚴格證明經(jīng)典計算機一定比量子計算機要慢，或者反過來說,，量子計算機是不是比經(jīng)典計算機快,，數(shù)學家還沒有完全嚴格地證明這件事情。[ZY2] 

但是大家都知道這個量子力學是目前我們世界上最最根源的一個理論,，我們?yōu)槭裁匆パ芯苛孔佑嬎隳?？是我們對計算機理論也好，對物理也好,，是我們對基礎(chǔ)理論的一個最最極限的探索,。

因為我們都知道，物理學,、包括科學的發(fā)展，很多時候都是很難去預(yù)估它真正的價值,。很有可能你開始的目的是這樣,，但是最后探索出來的東西可能跟你的預(yù)期目標完全不一樣。但是我覺得最重要的是我們對基礎(chǔ)科學的研究,，他一定會帶領(lǐng)我們?nèi)フJ識世界最最根源的一個東西,，帶給我們對世界不一樣的感受。這個就是我們研究的意義,，有人經(jīng)常問我說你們的量子計算好像看起來很遙遠,、很不靠譜,，我會告訴他，是的,，確實還很遙遠,，但是我們依然相信，去尋找最根源問題答案的過程,，我覺得這個過程就足夠了,。謝謝大家。

[ZY1]其實到這里我想說的話已經(jīng)說完了,，但是后面漏說了一句,，下面是另一段論述了

[ZY2]這里可以做個注解：從實用的角度來說，量子計算機固然存在很多算法可以超越已知的經(jīng)典計算機的算法,，只是沒有嚴格的數(shù)學證明“不存在性能更好的經(jīng)典算法可以和量子算法比肩”,。從這一點來說，已經(jīng)足以支持量子計算的研究,。但實際上量子計算的意義并不是簡單的一個所謂的更高效的計算機可以比擬的,，量子計算的研究本身給物理學，計算機科學,，信息科學的許多基本概念帶來很大的沖擊,，包括在黑洞中的量子信息的研究揭示出相對論以及量子力學的很多內(nèi)在矛盾。

（文章所有圖片均來源于演講者演示文稿）