央廣網(wǎng)北京2月28日消息 經(jīng)濟(jì)之聲《天下公司》傾聽全球欄目播出特別節(jié)目《燒腦季》，每天半小時(shí)權(quán)威科學(xué)家演講，火星移民、量子計(jì)算、人工智能、基因編輯、區(qū)塊鏈，燃燒你的大腦。

　　大家要理解量子計(jì)算機(jī)究竟為什么能夠?qū)θ祟惖挠?jì)算能力有巨大的提升，首先我們應(yīng)該理解就是計(jì)算的最根本的原理是什么？或者換句話說計(jì)算我們一定要付出什么代價(jià)。

　　運(yùn)算的原理——能量消耗

　　計(jì)算是相當(dāng)于把一個(gè)不確定性，最后能得到一個(gè)確定的結(jié)果，有可能是0或者1，最后我們明確的知道它是0，表面上聽起來很簡單，實(shí)際上這個(gè)物理學(xué)家花了100多年研究麥克斯韋妖的過程中才把這個(gè)問題真正解釋清楚。

　　最簡單地說，一個(gè)最簡單的箱子我們稱之為最簡單的計(jì)算機(jī)，里面只有一個(gè)分子，所以叫單分子計(jì)算機(jī)。我把這個(gè)箱子劈成兩半，開始的時(shí)候不知道這個(gè)分子在左邊還是右邊。因?yàn)榱孔臃�合量子力學(xué)的，這種不確定性人類是不知道它在左邊還是右邊的，這是量子的本性，大自然是存在這種不確定性的。

　　計(jì)算的目的就是把這種不確定性能變成確定的，你這個(gè)盒子，本來這個(gè)分子可能處在左邊和右邊，中間你一隔。我要求計(jì)算以后，我明確地知道，它要么在左邊，要么在右邊，計(jì)算結(jié)果會(huì)是0和1。怎么做到這一點(diǎn)呢？

　　提出一個(gè)最簡單的模型，就是麥克斯韋妖。它可以像活塞那樣壓縮，本來你不知道這個(gè)分子是不確定的，只要有麥克斯韋妖進(jìn)行壓縮，最后壓縮的結(jié)果，等位壓縮，就確定只把它壓到比如說左邊了，結(jié)果就是零。

　　原則就是告訴大家，通過熱力學(xué)，這個(gè)過程一定要耗散KT ln2的熱量。所有計(jì)算最根本的原則，聽起來可能有點(diǎn)太物理、專業(yè)，跟我們?nèi)粘５膰L試是相符的。你個(gè)自行車胎打氣可能有這種體驗(yàn)，打著打著經(jīng)常那個(gè)氣筒就發(fā)熱了。我小的時(shí)候，我曾經(jīng)誤解認(rèn)為這是摩擦力造成的，長大懂了熱力學(xué)以后，任何等位壓縮哪怕沒有摩擦力，它都會(huì)耗散這個(gè)力量。你要不信回家做實(shí)驗(yàn)，拿針筒也是一樣的，你做一下實(shí)驗(yàn)，這種壓縮肯定要耗散力量，這是熱力學(xué)原理很容易計(jì)算出來的。

　　結(jié)論就是說計(jì)算哪怕獲得一個(gè)比特的信息，都會(huì)耗散至少KT1n2的熱量，這是我們所有計(jì)算的原則。我們所有的電腦都得發(fā)熱，你要用一陣兒，你摸一下肯定是要發(fā)熱。手機(jī)，所有的手機(jī)都要發(fā)熱。如果將來有人告訴你造一個(gè)手機(jī)是不會(huì)發(fā)熱的，這肯定是忽悠你，因?yàn)檫@違背最根本的物理原理。現(xiàn)在的計(jì)算，它的效率嚴(yán)重地受這個(gè)物理定律麥克斯韋妖制約的，也就是說它首先要耗散很大的熱量，不能無限制的把速度提上去。因?yàn)樗俣忍嵘先ヒ院筮@個(gè)熱量耗散地甚至能讓你整個(gè)計(jì)算機(jī)熔化。

　　實(shí)際上人類歷史上，認(rèn)為這個(gè)計(jì)算機(jī)速度再提高會(huì)熔化，當(dāng)然因?yàn)楣に嚩嗌俑倪M(jìn)，到目前還沒有太逼近這個(gè)極限值，但物理上肯定是存在這個(gè)極限值的。無疑這給我們科學(xué)家，尤其是物理學(xué)家，包括搞計(jì)算機(jī)的提出一種幻想，就是有沒有可能存在這種不耗散的一個(gè)運(yùn)算過程呢？讓我們的運(yùn)算效率極大地提高呢？

　　消除能量耗散——妖正過程

　　表面上看地球上簡直不可能，因?yàn)榈厍蛏先魏蔚倪\(yùn)動(dòng)好像都需要摩擦力的制約，但實(shí)際上我們放眼宇宙的話，大部分運(yùn)動(dòng)是沒有這種耗散的。每天日出而坐，日落而息，我們是以太陽系，地球的自轉(zhuǎn)，包括公轉(zhuǎn)，過春節(jié)，夏令時(shí)。實(shí)際上我們的太陽系就是計(jì)算機(jī)，我們已經(jīng)用了它幾千年在給我們計(jì)算時(shí)間了。我們的時(shí)間到現(xiàn)在為止基本上都是靠太陽系運(yùn)作，它有沒有慢下來呢？基本上是沒有慢下來的，它沒有耗散。

　　實(shí)際宇宙中的真空比我們?nèi)祟悓?shí)驗(yàn)室做出的最好的真空還要純潔得多，太陽系的運(yùn)轉(zhuǎn)它恰恰是沒有耗散的，這就給我們?nèi)祟愐环N信心就是說，實(shí)際上有很多計(jì)算沒有耗散的話，那我們是可以期待避免麥克斯韋妖這樣的效應(yīng)的。所以我們自然人類就要探索在地球的這種環(huán)境下，有沒有可能做一種無耗散的運(yùn)算呢？理論上可以把這個(gè)計(jì)算效益可以極大地提高，我們可以受啟發(fā)，比如說現(xiàn)在的磁懸浮超導(dǎo)高鐵，我們國家已經(jīng)做到了比現(xiàn)在高鐵速度又快了一倍，600公里/小時(shí)。

　　我們知道一個(gè)量子的過程實(shí)際上是無耗散的，專業(yè)的叫妖正過程。利用量子過程進(jìn)行這樣的運(yùn)算，有沒有可能把我們的計(jì)算機(jī)的效率極大地提高呢？這是人類幾十年來一直在探索的問題。

　　首先我們可能需要理解一點(diǎn)，為什么一個(gè)量子的過程能夠避免麥克斯韋妖效應(yīng)？雖然今天時(shí)間短，但是我們最根本地要懂一點(diǎn)，所謂量子過程到底是什么？

　　單電子雙縫干涉的量子實(shí)驗(yàn)

　　最簡單地，我們今天講一個(gè)叫單電子雙縫干涉的量子實(shí)驗(yàn)，描述量子力學(xué)最關(guān)鍵的存在。量子力學(xué)描述的存在跟我們?nèi)粘Ｉ�活中的那個(gè)存在是很大差別的，為什么很多人覺得不理解量子力學(xué)。

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒有什么特別神秘的，這一個(gè)電子槍它確保每次只打一個(gè)電子，面對的是兩個(gè)縫。最后等它穿過這兩個(gè)縫，最后有一個(gè)屏幕來接受這個(gè)電子，一個(gè)電子一個(gè)電子打，如果花一天時(shí)間我可以積累成千上萬個(gè)電子。最后顯示的圖是什么？就是我的一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)翻譯現(xiàn)在的語言就是我用大數(shù)據(jù)來去探究這中間是不是有一些經(jīng)典不存在的關(guān)聯(lián)。如果這個(gè)電子是符合牛頓的經(jīng)典力學(xué)，比如它是一個(gè)子彈的話，通過兩個(gè)縫打過來，你很容易想象，要么它走上面那個(gè)縫，要么走下面那個(gè)縫。最后屏幕顯示，就算你成千上萬的子彈最后不外乎的形成都應(yīng)該兩個(gè)縫的。但最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓物理學(xué)家非常驚訝的發(fā)現(xiàn)，它實(shí)際上是多了雙縫干涉的那樣的明暗相間的條文，絕對沒有對應(yīng)兩個(gè)縫。

　　物理學(xué)家就為這個(gè)爭論了幾十年，細(xì)節(jié)我不多說，但總而言之現(xiàn)在基本上大家公認(rèn)的結(jié)論是肯定這個(gè)電子是同時(shí)走這兩個(gè)縫，否則的話無論如何最后大數(shù)據(jù)不會(huì)顯示那樣的結(jié)果。這就給我們?nèi)祟惖氖澜缬^真的是極大地顛覆，因?yàn)閭鹘y(tǒng)地總是認(rèn)為任何的物質(zhì)定義地要存在哪里，就肯定存在哪里的，它要走的應(yīng)該是軌道，這是牛頓力學(xué)堅(jiān)持的。

　　量子力學(xué)之所以顛覆了牛頓的世界觀，是告訴我們這個(gè)世界是存在非定義的，不確定性的或者是量子可以同時(shí)處在兩種狀態(tài)。更多的狀態(tài)也OK，它可以同時(shí)處在N種狀態(tài)，這個(gè)在經(jīng)典領(lǐng)域我們無法想象。但恰恰這種量子特性，讓我們可以造出量子計(jì)算機(jī)，當(dāng)然開始的是叫量子算法。

　　量子算法人類開始是怎么想到呢？第一個(gè)就是Deutsch算法。Deutsch算法就是，它處理這一類大數(shù)據(jù)問題，這類大數(shù)據(jù)問題并不需要你明確的算出哪個(gè)函數(shù)和經(jīng)典的計(jì)算，那我就是一個(gè)代入，一個(gè)數(shù)據(jù)然后算出一個(gè)結(jié)果，一步一步這么算，這叫計(jì)算暴力，它就靠這個(gè)計(jì)算的速度或次數(shù)來解決問題。

　　我們大數(shù)據(jù)很多問題是，F(xiàn)0和F1不需要具體算出它的結(jié)果，我們只需要知道什么情況下是否F0等于F1，或者說F0不等于F1。如果這樣的問題話就有一個(gè)量子算法，Deutsch第一次，可以設(shè)定一個(gè)算法，設(shè)定一個(gè)量子態(tài)，它利用剛才說的電子可以同時(shí)走兩個(gè)縫，也就是說它可以同時(shí)0和1兩種狀態(tài)同時(shí)輸入，叫這個(gè)量子的分非定義態(tài)，它同時(shí)算0和1。

　　經(jīng)典運(yùn)算，要么你只能算F0然后再算一次F1。量子是可以同時(shí)算F0和F1的。然后最后這種算法設(shè)定，它能夠識(shí)別，甚至是F0等于F1，具體當(dāng)F0和F1是什么他不用算，這種大數(shù)據(jù)處理的要求下，它就等于把兩步并成一步了。實(shí)際上最后我們只要測一次，點(diǎn)是經(jīng)典的麥克斯韋妖必須要算兩次，它必須要算一下F0是什么，第二算一下F1是什么，確定的算出來，他來比較兩個(gè)是不是一致。所以量子只需要一步完成。

　　運(yùn)算效率極大提升

　　當(dāng)然你要這么看，你量子計(jì)算機(jī)才提高了一倍效率。但是這才剛是一個(gè)0和一個(gè)1，實(shí)際上大數(shù)據(jù)有萬億的這個(gè)數(shù)據(jù)，到那會(huì)兒的話量子算法就會(huì)，這個(gè)提高效率就不是提高一倍了，指數(shù)級(jí)的提高。但被認(rèn)為是指數(shù)認(rèn)為是及其困難的經(jīng)典，基本上也只能找暴力計(jì)算，一個(gè)一個(gè)去試，一直作為ISA這種簽名系統(tǒng)加密了，你無法破解。一旦知道結(jié)果很難驗(yàn)證，但反過來很難。就說我給你一個(gè)大數(shù)據(jù)，你告訴我指數(shù)是什么，那運(yùn)算量是天量的，所以這個(gè)特適合用來做加密，甚至現(xiàn)在都還在用。但是用計(jì)算機(jī)的算法細(xì)節(jié)我不講，它就能把這個(gè)效率，本來指數(shù)的效率比如要算2的N次方，大家知道2的N次方隨著N的增大，它很快就是天文數(shù)字了，它能下降到logN，就是N的對數(shù)的那個(gè)數(shù)量級(jí)，效率提高就是非常非常本質(zhì)的。

　　量子檢索與實(shí)際應(yīng)用

　　再給大家介紹一個(gè)所謂量子檢索，量子檢索是量子算法里最好理解的，所謂量子算法再次強(qiáng)調(diào)，它利用的量子特性就是剛才講的那種電子可以同時(shí)走兩個(gè)縫，另外它可以走無窮的縫也一樣。如果一個(gè)量子態(tài)它可以疊加無窮多個(gè)0和1的結(jié)果，那么檢索，比如說我在北京市要找壞人，北京市幾千萬人口，我要挑一個(gè)壞人。經(jīng)典的計(jì)算，對不起你只有把這些人一個(gè)一個(gè)數(shù)據(jù)往里輸，函數(shù)，這個(gè)函數(shù)F就是挑壞人的函數(shù)。算出來一個(gè)結(jié)果，那它等于1的時(shí)候，他就是壞人，等于零的時(shí)候他不是壞人，那你只有算幾千萬遍，北京有多少萬人口就得算多少人，這是經(jīng)典計(jì)算。

　　量子計(jì)算是，你可以同時(shí)把這幾千萬弄成一個(gè)量子疊加態(tài)，同時(shí)往里輸。但你運(yùn)算出來的一個(gè)結(jié)果它還是一個(gè)疊加態(tài)，因?yàn)檎麄�(gè)過程是一個(gè)量子過程。你還是沒有挑出這個(gè)壞人是什么，因?yàn)槟阋�具體的測這個(gè)量子態(tài)，要找出一個(gè)壞人，理論上還是要有麥克斯韋妖的效應(yīng)，你得從這個(gè)量子態(tài)里頭去挑這個(gè)究竟哪個(gè)最后算出來的結(jié)果是F1。

　　量子檢索這個(gè)算法設(shè)計(jì)的特別巧妙，它是這樣。我把這幾千萬人我一分兩半，我先把頭1500萬同時(shí)輸進(jìn)去，輸進(jìn)去成為量子態(tài)。正好它有一個(gè)反轉(zhuǎn)，如果中間有壞人的話，它不能說馬上告訴你哪個(gè)是壞人，但是在這些人里量子態(tài)算的話歸反轉(zhuǎn)的，在這個(gè)結(jié)果里會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)號(hào)，那這個(gè)就可以設(shè)計(jì)一個(gè)很巧妙的算法。我把頭1500萬輸進(jìn)去，如果我發(fā)現(xiàn)它反轉(zhuǎn)了，出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)號(hào)。后面那個(gè)我不用試了，我把這1500萬嗯我又弄成一半，我試其中的750萬，如果沒有反轉(zhuǎn)，沒有出現(xiàn)負(fù)號(hào)，這個(gè)態(tài)沒有改變。那OK，這個(gè)沒有，我繼續(xù)算這個(gè)750萬的。這樣一半一半的算既算的步驟要比你3000萬一個(gè)一個(gè)去算那個(gè)效率能提高多少呢？

　　效率提高的不是說幾倍的問題，它提高的是多少數(shù)量級(jí)的問題。這個(gè)當(dāng)量的提高，為什么我們用核彈去形容它？因?yàn)閺垔W跟我討論題目，我當(dāng)時(shí)就想，我只能用核彈去描述。普通炸彈和核彈，他們兩個(gè)的差距，你不是能說這么更厲害，你已經(jīng)不能這么表述了。因?yàn)樗�提高的�?shù)量級(jí)，核彈造成的能量當(dāng)量的數(shù)量級(jí)包括因此造成的效果和破壞，那是傳統(tǒng)的炸彈不是多少個(gè)，你比它多多少個(gè)能夠比擬的。量子計(jì)算也一樣，可以這么說，如果真的量子計(jì)算機(jī)造成了，現(xiàn)在所有的所謂的加密系統(tǒng)，因?yàn)楝F(xiàn)在所有的加密都是靠我剛才說的運(yùn)算不轉(zhuǎn)密。天量的運(yùn)算解不開，它才能保護(hù)。但現(xiàn)在有量子計(jì)算機(jī)，這個(gè)東西就相當(dāng)于透明的一張紙，就很容易給你打穿。

　　量子計(jì)算是比特幣的終結(jié)者

　　量子計(jì)算對于比特幣挖礦的意義，比特幣挖礦跟檢索剛才那個(gè)是很類似的，它就不外乎說全網(wǎng)的礦工要在2的68次方這么多數(shù)里頭找出一個(gè)合適的數(shù)，一個(gè)哈希值，最后符合低于它的一個(gè)觀值，具體算法我就不說了，反正大家就拼命去找，完全是暴力運(yùn)算，每秒要算多少個(gè)P，將近3000個(gè)P了，就是這樣的典型的運(yùn)算暴力，它是靠每秒鐘的運(yùn)算次數(shù)的操刀，全網(wǎng)都在算，這么來破解這個(gè)問題，也是維護(hù)比特幣系統(tǒng)之所以安全也是靠這個(gè)維護(hù)。你反過來想作弊攻破它，要付出極大地代價(jià)。

　　但是用量子計(jì)算機(jī)跟剛才說的一樣，那2的68次方理論上可能本來是一個(gè)天文數(shù)字可能下降到不到100次，它能給你算出來。因?yàn)樗�是可以同時(shí)輸入的，管你多少個(gè)。我一半看找到?jīng)]有，如果找到了，那一半我不用算了，然后我再把它分兩半，總而言之，我靠很有限的步驟，不超過100步，就能把你原來算2的68次方這么多次壓縮到這種程度。所以未來量子計(jì)算機(jī)真要造出來的話，那對比特幣整個(gè)挖礦的產(chǎn)業(yè)會(huì)有非常大的影響。

　　量子計(jì)算機(jī)的人手里相當(dāng)于有“核彈”，以前的那些計(jì)算相當(dāng)于小米加步槍了。整個(gè)計(jì)算行業(yè)，當(dāng)然包括區(qū)塊鏈行業(yè)，無疑應(yīng)該非常地密切關(guān)注量子計(jì)算機(jī)最新的進(jìn)展，不敢隨便想象說我們能迅速到這個(gè)前沿，現(xiàn)在來看可能性不大，但是至少我們得跟著人家距離不能拉太遠(yuǎn)，反正谷歌經(jīng)常爆料，經(jīng)常嚇唬大家，他有量子計(jì)算機(jī)，量子芯片，好像已經(jīng)進(jìn)展到什么什么程度，號(hào)稱2017年聲稱要有很大的進(jìn)展，什么50個(gè)比特的量子芯片會(huì)做出來。當(dāng)然這東西肯定是科學(xué)的很大進(jìn)展，但是我了解的事實(shí)還不是那么可怕。它有芯片就算造出來，它只能針對很有限的某幾類問題，它不是通用的，通用就太可怕了，意味著滅掉所有的計(jì)算機(jī)和加密算法，目前還不用通用的。

　　場外提問

　　為什么量子力學(xué)現(xiàn)在成為了好多新技術(shù)趨勢的內(nèi)核，比如說區(qū)塊鏈，比如說大數(shù)據(jù)計(jì)算，人工智能里面都有量子物理？

　　韓鋒：“這個(gè)問題問得非常好，坦率地說，量子力學(xué)最開初的時(shí)候人們只是覺得它有用，50年代半導(dǎo)體，晶體管，覺得那是一定要用量子力學(xué)的，沒有量子力學(xué)完全沒法計(jì)算和處理，人們只是覺得它有用。但是發(fā)展到現(xiàn)在，人們開始對量子力學(xué)，最根本的刮目相待，發(fā)現(xiàn)它提供了一個(gè)幾乎現(xiàn)在所有新的科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，包括大數(shù)據(jù)，提供了一個(gè)完全全新的，統(tǒng)一的認(rèn)知基礎(chǔ)，這是量子力學(xué)真正的意義，就像我剛才說的，它顛覆了牛頓力學(xué)的世界觀，它是在最本質(zhì)上讓人類地世界觀升級(jí)了，而且這個(gè)升級(jí)的意義。

　　我現(xiàn)在認(rèn)為甚至跨出了科學(xué)界，而不僅僅說像你說的人工智能、區(qū)塊鏈，這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的問題，跟人類最早的一些幾千年前的剩下的認(rèn)知，老子、陰陽太極，比如說佛教的色空不二，大家發(fā)現(xiàn)所有的這些竟然都能夠有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)知基礎(chǔ)，我個(gè)人認(rèn)為人類面臨了一個(gè)正在攀上一個(gè)全新的智慧的頂峰，這個(gè)恰恰是量子力學(xué)提供了很有力地支撐。”

　　量子計(jì)算機(jī)如果造出來，它會(huì)是什么樣子？

　　韓鋒：“從目前來預(yù)測它應(yīng)該比較龐大，因?yàn)閯偛耪f的優(yōu)點(diǎn)恰恰也是它的缺點(diǎn)，就是要保持量子態(tài)同時(shí)處在非定義態(tài)或者疊加態(tài)，這是剛才它的優(yōu)勢了。但是這種東西是極其容易被破壞的，在常溫下，只要跟空氣一接觸，量子就會(huì)退相干。這就是我們你平時(shí)看到的為什么沒有量子效應(yīng)，因?yàn)橹灰�跟空氣一接觸，一有溫度它就會(huì)馬上叫退相干，它就會(huì)回到牛頓的你看到的那種狀態(tài)。所以你要保持這種狀態(tài)，目前來看一定是極低溫，基本上絕對是零度的附近，光這個(gè)制冷的就需要非常龐大的支撐，這恰恰也是現(xiàn)在量子計(jì)算最難突破的，人類如果突破這一點(diǎn)造量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該就不困難了。”

　　量子怎么會(huì)同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)縫隙？

　　韓鋒：“這個(gè)確實(shí)是一般人特別糾結(jié)的問題，你因?yàn)橹�所以不可想象的是，平時(shí)看到的所有東西都不會(huì)這樣，但是它真的就是這樣的。

　　你不能按平時(shí)你看到的這些事物的現(xiàn)象去解釋它，因?yàn)槟憧吹降臇|西基本上都符合牛頓力學(xué)。為什么你看到的這個(gè)東西都符合牛頓力學(xué)，而電子不符合牛頓力學(xué)？物理的很多步驟，其實(shí)麥克斯韋妖起了很大的步驟，麥克斯韋妖就可以用來解釋這個(gè)，本性它是不確定的，就是這個(gè)分子在這個(gè)箱子里，如果它是一個(gè)經(jīng)典分子的話，不知道它還是要么在這兒，要么在這兒，對吧？

　　但是實(shí)際上不是，本質(zhì)上它就是非定義的。所以你日常生活中你看到確定的東西是靠一個(gè)麥克斯韋妖壓縮耗熱造成的，我們世界的麥克斯韋妖是太陽，就是太陽提供了一定要耗散熱量，太陽給我們提供了能力，它的麥克斯韋妖讓我們這個(gè)世界處于一個(gè)確定的世界。其實(shí)宇宙最本質(zhì)的，其實(shí)是不確定的。”