40年前,诺贝尔奖获得者 美国理论物理学家 理查德·费曼 (Richard Feynman) 认为:“自然界不是经典的,***,如果你想模拟自然界,那么你最好使用量子力学。” (Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical.)[1]

这句话后来被认定为开发量子计算机的战斗口号[2],致使当今世界各国寻求量子优势的快速进展。即便如此,知往鉴今,下面带量子客的读者们一起简要回顾量子计算的发展史,或许可以从这些里程碑事件中体会当下。

量子计算发展史上的27个里程碑事件-量子客
图1|理查德·费曼(来源:Silviu Tolu)

1905年 阿尔伯特·爱因斯坦 解释了光电效应——将光照在某些材料上可以起到从材料中释放电子的作用,并提出光本身是由单个量子粒子或光子组成

1924年 量子力学一词首次出现在 德国理论物理学家与数学家 马克斯·玻恩 的一篇论文中

1925年 维尔纳·海森堡马克斯·玻恩 帕斯夸尔·约尔旦 提出了矩阵力学,量子力学中第一个在概念上自治、逻辑上一致的表述

1925-1927年 尼尔斯·玻尔维尔纳·海森堡 提出了哥本哈根诠释,对量子力学最早的一种诠释,至今仍是最普遍的教学内容之一

1930年 保罗·狄拉克 出版了《量子力学原理》,这本教科书已经成为标准参考书,至今仍是量子力学的经典教材

量子计算发展史上的27个里程碑事件-量子客
图2|晚年时期的保罗·狄拉克(来源:Simply Charly)

1935年 阿尔伯特·爱因斯坦鲍里斯·波多尔斯基纳森·罗森 发表了一篇论文,强调了量子叠加的反直觉性质,并认为量子力学提供的物理现实描述是不完整的

1935年 薛定谔爱因斯坦讨论量子叠加问题,并对量子力学的哥本哈根诠释进行了批判,提出了一个思想实验“薛定谔的猫”,薛定谔还创造了“量子纠缠”这一术语

1947年 爱因斯坦 在写给 马克斯·玻恩 的信中首次将量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用

1976年 当时就读于哥白尼大学的 罗曼·斯坦尼斯瓦夫·英伽登 (Roman Stanisław Ingarden) 发表了一篇题为《量子信息论》的开创性论文,成为首批尝试创建量子信息理论者之一

1980年 美国阿贡国家实验室的 保罗·贝尼奥夫 (Paul Benioff) 发表了一篇论文,描述了图灵机或经典计算机的量子力学哈密顿量模型,首次证明了量子计算的可能性

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图3|保罗·贝尼奥夫(来源:QuantumHermit)

1981年 当时就职于加州理工学院的 理查德·费曼 在题为《利用计算机模拟物理学》的报告中指出[3],量子计算机有可能模拟出经典计算机无法模拟的物理现象

1985年 牛津大学的 戴维·多伊奇 (David Deutsch) 为量子图灵机制定了一个描述

1992年 Deutsch–Jozsa算法属于最早一批量子算法的例子,它证明了量子算法相对于经典算法有指数级别的加速能力

1993年 发表了第一篇描述量子遥传的论文[4]

1994年 贝尔实验室的 彼得·秀尔 (Peter Shor) 开发了用于整数分解的量子算法[5],有可能破解RSA加密算法,一种广泛使用的数据加密传输方法

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图4|彼得·秀尔(来源:EurekAlert!)

1994年 美国国家标准技术研究所 (NIST) 组织了由美国政府主办的首届量子计算会议

1996年 贝尔实验室的 洛夫·格罗弗 (Lov Grover) 发明了量子数据库搜索算法以其名字命名为“格罗弗算法

1998年 首次展示了量子纠错[6];首次证明了可以用经典计算机有效模拟某一类量子计算

1999年 东京大学的 中村泰信东京理科大学的 蔡兆申 证明了超导电路可以用作量子比特

2002年 美国发布了第一版量子计算路线图,该路线图是一份实时更新的文件,其中涉及量子计算领域主要研究人员

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图5|美国第一版量子计算路线图封面截图(来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室)

2004年 中国科学技术大学潘建伟院士的研究小组,首次展示了五光子纠缠

2011年 D-Wave公司推出首台商用量子计算机

2012年 全球首家专门的量子计算软件公司1QBit成立

2014年 荷兰代尔夫特理工大学的科维理纳米科学研究所的物理学家们,以100%的准确率相隔约3米的两个量子比特之间完成信息传送[7]

2017年 中国科学技术大学潘建伟院士的研究小组,首次实现从地面观测站到低地球轨道卫星的纠缠光子发射,量子隐形传态实验通信距离达1400公里[8]

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图6|潘建伟院士(来源:华东师范大学)

2018年 美国颁布《国家量子倡议法案》[9],确立了加速美国发展量子信息科学和技术应用十年计划的目标和优先事项

2019年 谷歌通过在200秒内完成超级计算机约1万年才能完成的一系列运算,从而声称达成“量子霸权” (quantum supremacy)[10];IBM回应称可能需要2.5天而不是1万年,强调了超级计算机可能用于最大化计算速度的技术[11]

2020年 中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授组成的研究小组在76个光子量子计算原型机上完成了“高斯玻色采样”计算,计算速度要比超级计算机快100万亿倍,从而声称实现“量子计算优越性” (quantum computational advantage)

2021年距1905年已经过去116年,量子优势的竞赛正在进行中。而古往今来,速度可持续性,一直是衡量计算机技术进入下一阶段的标准

77年前 (1944年),在洛斯阿拉莫斯国家实验室还是“职场新人”的理查德·费曼先生,组织了一场人工手算与洛斯阿拉莫斯国家实验室IBM设备计算之间的比赛,双方都需要对钚弹进行计算。

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图7|诺贝尔物理学奖得主 理查德·费曼 站在他位于加利福尼亚州洛杉矶的实验室内一块散落着符号的黑板前(来源:Getty Images)

“比赛的头两天,人工手算与设备计算保持同步。但在第三天,进行手工计算的人无法继续维持快节奏计算,而机器是不知疲倦的,稳步向前。”

以上这段内容出自IEEE计算机协会前主席David Alan Grier所著《当计算机成为人类》(When Computers Were Human) 一书[12],放在此处,喻作对量子计算的一种期冀

 

 

参考链接:

[1]https://web.archive.org/web/20190108115138/https:/people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Feynman.pdf

[2]https://www.fastcompany.com/90633843/1981-quantum-computing-conference-ibm-roadmap-mit

[3]https://web.archive.org/web/20190108115138/https:/people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Feynman.pdf

[4]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.70.1895

[5]https://ieeexplore.ieee.org/document/365700

[6]https://arxiv.org/abs/quant-ph/9802018

[7]https://www.nytimes.com/2014/05/30/science/scientists-report-finding-reliable-way-to-teleport-data.html

[8]https://arxiv.org/abs/1707.00934

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/National_Quantum_Initiative_Act

[10]https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

[11]https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/

[12]https://www.amazon.com/When-Computers-Human-David-Grier/dp/0691133824

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳