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》，每天半小時權(quán)威科學(xué)家演講，火星移民、量子計算、人工智能、基因編輯、區(qū)塊鏈，燃燒你的大腦。

　　大家要理解量子計算機究竟為什么能夠?qū)θ祟惖挠嬎隳芰τ芯薮蟮奶嵘�，首先我們�?yīng)該理解就是計算的最根本的原理是什么？或者換句話說計算我們一定要付出什么代價。

　　運算的原理——能量消耗

　　計算是相當(dāng)于把一個不確定性，最后能得到一個確定的結(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，實際上這個物理學(xué)家花了100多年研究麥克斯韋妖的過程中才把這個問題真正解釋清楚。

　　最簡單地說，一個最簡單的箱子我們稱之為最簡單的計算機，里面只有一個分子，所以叫單分子計算機。我把這個箱子劈成兩半，開始的時候不知道這個分子在左邊還是右邊。因為量子符合量子力學(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。

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

　　提出一個最簡單的模型，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)，這個過程一定要耗散KT ln2的熱量。所有計算最根本的原則，聽起來可能有點太物理、專業(yè)，跟我們?nèi)粘５膰L試是相符的。你個自行車胎打氣可能有這種體驗，打著打著經(jīng)常那個氣筒就發(fā)熱了。我小的時候，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，它都會耗散這個力量。你要不信回家做實驗，拿針筒也是一樣的，你做一下實驗，這種壓縮肯定要耗散力量，這是熱力學(xué)原理很容易計算出來的。

　　結(jié)論就是說計算哪怕獲得一個比特的信息，都會耗散至少KT1n2的熱量，這是我們所有計算的原則。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，所有的手機都要發(fā)熱。如果將來有人告訴你造一個手機是不會發(fā)熱的，這肯定是忽悠你，因為這違背最根本的物理原理�，F(xiàn)在的計算，它的效率嚴(yán)重地受這個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。因為速度提上去以后這個熱量耗散地甚至能讓你整個計算機熔化。

　　實際上人類歷史上，認(rèn)為這個計算機速度再提高會熔化，當(dāng)然因為工藝多少改進(jìn)，到目前還沒有太逼近這個極限值，但物理上肯定是存在這個極限值的。無疑這給我們科學(xué)家，尤其是物理學(xué)家，包括搞計算機的提出一種幻想，就是有沒有可能存在這種不耗散的一個運算過程呢？讓我們的運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，因為地球上任何的運動好像都需要摩擦力的制約，但實際上我們放眼宇宙的話，大部分運動是沒有這種耗散的。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。實際上我們的太陽系就是計算機，我們已經(jīng)用了它幾千年在給我們計算時間了。我們的時間到現(xiàn)在為止基本上都是靠太陽系運作，它有沒有慢下來呢？基本上是沒有慢下來的，它沒有耗散。

　　實際宇宙中的真空比我們?nèi)祟悓嶒炇易龀龅淖詈玫恼婵者�要純潔得多，太陽系的運轉(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，實際上有很多計算沒有耗散的話，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算呢？理論上可以把這個計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。

　　我們知道一個量子的過程實際上是無耗散的，專業(yè)的叫妖正過程。利用量子過程進(jìn)行這樣的運算，有沒有可能把我們的計算機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，為什么一個量子的過程能夠避免麥克斯韋妖效應(yīng)？雖然今天時間短，但是我們最根本地要懂一點，所謂量子過程到底是什么？

　　單電子雙縫干涉的量子實驗

　　最簡單地，我們今天講一個叫單電子雙縫干涉的量子實驗，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)。

　　這個實驗沒有什么特別神秘的，這一個電子槍它確保每次只打一個電子，面對的是兩個縫。最后等它穿過這兩個縫，最后有一個屏幕來接受這個電子，一個電子一個電子打，如果花一天時間我可以積累成千上萬個電子。最后顯示的圖是什么？就是我的一個實驗結(jié)果，其實翻譯現(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)。如果這個電子是符合牛頓的經(jīng)典力學(xué)，比如它是一個子彈的話，通過兩個縫打過來，你很容易想象，要么它走上面那個縫，要么走下面那個縫。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)該兩個縫的。但最后實驗結(jié)果讓物理學(xué)家非常驚訝的發(fā)現(xiàn)，它實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)兩個縫。

　　物理學(xué)家就為這個爭論了幾十年，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)論是肯定這個電子是同時走這兩個縫，否則的話無論如何最后大數(shù)據(jù)不會顯示那樣的結(jié)果。這就給我們?nèi)祟惖氖澜缬^真的是極大地顛覆，因為傳統(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，是告訴我們這個世界是存在非定義的，不確定性的或者是量子可以同時處在兩種狀態(tài)。更多的狀態(tài)也OK，它可以同時處在N種狀態(tài)，這個在經(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算機，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函數(shù)和經(jīng)典的計算，那我就是一個代入，一個數(shù)據(jù)然后算出一個結(jié)果，一步一步這么算，這叫計算暴力，它就靠這個計算的速度或次數(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量子算法，Deutsch第一次，可以設(shè)定一個算法，設(shè)定一個量子態(tài)，它利用剛才說的電子可以同時走兩個縫，也就是說它可以同時0和1兩種狀態(tài)同時輸入，叫這個量子的分非定義態(tài)，它同時算0和1。

　　經(jīng)典運算，要么你只能算F0然后再算一次F1。量子是可以同時算F0和F1的。然后最后這種算法設(shè)定，它能夠識別，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。實際上最后我們只要測一次，點是經(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，他來比較兩個是不是一致。所以量子只需要一步完成。

　　運算效率極大提升

　　當(dāng)然你要這么看，你量子計算機才提高了一倍效率。但是這才剛是一個0和一個1，實際上大數(shù)據(jù)有萬億的這個數(shù)據(jù)，到那會兒的話量子算法就會，這個提高效率就不是提高一倍了，指數(shù)級的提高。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算，一個一個去試，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)果很難驗證，但反過來很難。就說我給你一個大數(shù)據(jù)，你告訴我指數(shù)是什么，那運算量是天量的，所以這個特適合用來做加密，甚至現(xiàn)在都還在用。但是用計算機的算法細(xì)節(jié)我不講，它就能把這個效率，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)的那個數(shù)量級，效率提高就是非常非常本質(zhì)的。

　　量子檢索與實際應(yīng)用

　　再給大家介紹一個所謂量子檢索，量子檢索是量子算法里最好理解的，所謂量子算法再次強調(diào)，它利用的量子特性就是剛才講的那種電子可以同時走兩個縫，另外它可以走無窮的縫也一樣。如果一個量子態(tài)它可以疊加無窮多個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，我要挑一個壞人。經(jīng)典的計算，對不起你只有把這些人一個一個數(shù)據(jù)往里輸，函數(shù)，這個函數(shù)F就是挑壞人的函數(shù)。算出來一個結(jié)果，那它等于1的時候，他就是壞人，等于零的時候他不是壞人，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)典計算。

　　量子計算是，你可以同時把這幾千萬弄成一個量子疊加態(tài)，同時往里輸。但你運算出來的一個結(jié)果它還是一個疊加態(tài)，因為整個過程是一個量子過程。你還是沒有挑出這個壞人是什么，因為你要具體的測這個量子態(tài)，要找出一個壞人，理論上還是要有麥克斯韋妖的效應(yīng)，你得從這個量子態(tài)里頭去挑這個究竟哪個最后算出來的結(jié)果是F1。

　　量子檢索這個算法設(shè)計的特別巧妙，它是這樣。我把這幾千萬人我一分兩半，我先把頭1500萬同時輸進(jìn)去，輸進(jìn)去成為量子態(tài)。正好它有一個反轉(zhuǎn)，如果中間有壞人的話，它不能說馬上告訴你哪個是壞人，但是在這些人里量子態(tài)算的話歸反轉(zhuǎn)的，在這個結(jié)果里會產(chǎn)生一個負(fù)號，那這個就可以設(shè)計一個很巧妙的算法。我把頭1500萬輸進(jìn)去，如果我發(fā)現(xiàn)它反轉(zhuǎn)了，出現(xiàn)了一個負(fù)號。后面那個我不用試了，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，這個態(tài)沒有改變。那OK，這個沒有，我繼續(xù)算這個750萬的。這樣一半一半的算既算的步驟要比你3000萬一個一個去算那個效率能提高多少呢？

　　效率提高的不是說幾倍的問題，它提高的是多少數(shù)量級的問題。這個當(dāng)量的提高，為什么我們用核彈去形容它？因為張奧跟我討論題目，我當(dāng)時就想，我只能用核彈去描述。普通炸彈和核彈，他們兩個的差距，你不是能說這么更厲害，你已經(jīng)不能這么表述了。因為它提高的數(shù)量級，核彈造成的能量當(dāng)量的數(shù)量級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，你比它多多少個能夠比擬的。量子計算也一樣，可以這么說，如果真的量子計算機造成了，現(xiàn)在所有的所謂的加密系統(tǒng)，因為現(xiàn)在所有的加密都是靠我剛才說的運算不轉(zhuǎn)密。天量的運算解不開，它才能保護(hù)。但現(xiàn)在有量子計算機，這個東西就相當(dāng)于透明的一張紙，就很容易給你打穿。

　　量子計算是比特幣的終結(jié)者

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

　　但是用量子計算機跟剛才說的一樣，那2的68次方理論上可能本來是一個天文數(shù)字可能下降到不到100次，它能給你算出來。因為它是可以同時輸入的，管你多少個。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。所以未來量子計算機真要造出來的話，那對比特幣整個挖礦的產(chǎn)業(yè)會有非常大的影響。

　　量子計算機的人手里相當(dāng)于有“核彈”，以前的那些計算相當(dāng)于小米加步槍了。整個計算行業(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)注量子計算機最新的進(jìn)展，不敢隨便想象說我們能迅速到這個前沿，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，他有量子計算機，量子芯片，好像已經(jīng)進(jìn)展到什么什么程度，號稱2017年聲稱要有很大的進(jìn)展，什么50個比特的量子芯片會做出來。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算機和加密算法，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)計算，人工智能里面都有量子物理？

　　韓鋒：“這個問題問得非常好，坦率地說，量子力學(xué)最開初的時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)它提供了一個幾乎現(xiàn)在所有新的科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)時代，包括大數(shù)據(jù)，提供了一個完全全新的，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了，而且這個升級的意義。

　　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統(tǒng)一的認(rèn)知基礎(chǔ)，我個人認(rèn)為人類面臨了一個正在攀上一個全新的智慧的頂峰，這個恰恰是量子力學(xué)提供了很有力地支撐�！�

　　量子計算機如果造出來，它會是什么樣子？

　　韓鋒：“從目前來預(yù)測它應(yīng)該比較龐大，因為剛才說的優(yōu)點恰恰也是它的缺點，就是要保持量子態(tài)同時處在非定義態(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，量子就會退相干。這就是我們你平時看到的為什么沒有量子效應(yīng)，因為只要跟空氣一接觸，一有溫度它就會馬上叫退相干，它就會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，光這個制冷的就需要非常龐大的支撐，這恰恰也是現(xiàn)在量子計算最難突破的，人類如果突破這一點造量子計算機應(yīng)該就不困難了。”

　　量子怎么會同時進(jìn)入兩個縫隙？

　　韓鋒：“這個確實是一般人特別糾結(jié)的問題，你因為之所以不可想象的是，平時看到的所有東西都不會這樣，但是它真的就是這樣的。

　　你不能按平時你看到的這些事物的現(xiàn)象去解釋它，因為你看到的東西基本上都符合牛頓力學(xué)。為什么你看到的這個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，本性它是不確定的，就是這個分子在這個箱子里，如果它是一個經(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世界處于一個確定的世界。其實宇宙最本質(zhì)的，其實是不確定的�！�