量子行走计算

本:布里斯托尔大学的研究人员报告了量子计算的一项进展，这项进展可能会使这项革命性的技术更接近20年。我约见了乔纳森·马修斯，了解他们的设备是如何工作的，但首先量子光子学中心主任杰里米·奥布莱恩解释了为什么量子计算机如此吸引人……

杰里米:人们已经认真地尝试开发量子计算机至少十年了，几十年来人们已经知道这种设备对于特定任务的计算可能非常强大。因此，全世界都在努力实现量子计算机。即使在这个阶段，它预计还需要几十年的时间，原因是你需要能够控制单个量子系统——所以这可能意味着单个光粒子，单个光子或单个电子，或单个原子。你需要能够以复杂的方式将它们耦合在一起来控制和操纵它们并读出它们所处的状态。所以这是一个难以置信的量子工程挑战，如果你愿意的话，能够制造这样一个设备。我们知道，有些任务我们可以用量子计算机完成，速度比用传统计算机快得多。这意味着我们可以在传统的计算机上解决难以解决的问题，这些问题的计算时间随着问题的规模呈指数增长。对于量子计算机，我们没有这些——它们以一种合理的方式相互联系——问题的大小和所花费的时间。

本:所以与其说是现有计算机的进化，不如说是我们所使用的各种技术的革命?

杰里米:-完全正确。这是一种完全不同的计算方式。这里的想法是利用独特的量子力学效应。因此，量子力学是一种理论，它解释了世界是如何在最基本的层面上运行的——单个光子、单个原子和单个分子等等是如何相互作用的——它与我们日常生活中世界运行的方式有着惊人的不同。例如，它告诉我们一个物体可以同时出现在两个或更多的地方，两个物体可以彼此不可分割地联系在一起，不管它们相距多远，对其中一个的测量会立即影响到另一个。我们称这些效应为“叠加”和“纠缠”，但本质上它们就是这样。

本:乔纳森，请允许我把你叫过来，你开发的这个装置到底是什么?

乔纳森:-这是一个集成的光学芯片。它使用我们所说的“波导”来引导光通过一个单一的结构——一个固定的结构，这些波导的工作原理非常像光纤——如果你愿意的话，就像光的管道。我们所做的就是把几个波导排列在一起，这样光子就可以直接穿过相邻的波导，或者相邻的管道，这让我们看到这些叠加的模式，我们称之为“量子行走”。

本:什么是量子行走，它和经典行走有什么不同?

乔纳森:也许我可以从古典散步开始。一个经典的行走——你可以通过扔一个弹珠，让它在击中一堆排列成网格的木瓶时选择向左或向右，这将在底部给你一个正态分布——钟形曲线。这是基于给弹珠一个向左或向右的选择，基于概率。但是如果你给弹珠一个向左的可能性和对，它有可能自我干扰，最后你会得到一个非常不同的统计结果。这些统计结果包括传播速度快得多的特征——分布的传播速度比经典情况下快得多。正是这种行为可以在量子技术中得到真正的利用。

本:所以，一个量子物体会给你一个非常不同的可能性，从这个行走到任何一个特定的地方，那就是当你放一个光子通过的时候。你的工作就是让不止一个人通过，看看效果如何。这样做的好处是什么?

乔纳森:关键是你需要两个光子在每一个属性上都完全相同，但它们会相互量子干涉，事实上，两个光子的存在，会给你不同的统计输出，而不是你先放一个光子，然后再放另一个光子，然后比较两个结果。

Ben:那么在量子计算方面，为什么这是一个优势?

乔纳森:嗯，这让我们可以模拟更复杂的结构。所以量子行走在一个数学家称之为图的环境中移动，当你线性增加光子的数量时，这些环境本质上变得指数级地复杂。如果我有一个光子，它穿过一个有20个波导的系统，那么我的系统的尺寸是20，而如果我把两个光子放入设备，那么我就模拟了一个20平方数量级的结构。

Ben: Jeremy，回到你的问题上，我们希望用这些量子计算机做什么?

杰里米:-所以这些基于量子行走的特定类型的计算机原则上能够实现通用量子计算机，所以这是一个令人兴奋和重要的理论结果，表明量子行走能够执行任何类型的量子计算。但在不久的将来，我们希望能够以一种直接的方式利用这些量子行走来模拟重要的量子系统。我们可能感兴趣的模拟的东西类型是复杂的分子，可能与设计新药物或新材料有关。事实证明，如果我们有一个分子，里面有大约30个原子，这是我们可以用传统计算机可靠计算的极限，即使是用今天的超级计算机。原因是这个系统的描述呈指数增长就像乔纳森描述的量子行走的指数增长一样当我们加入更多的粒子时。其他应用包括理解自然过程，如光合作用，这依赖于量子相干效应的运作。

Ben:那么你认为你的工作在多大程度上推动了量子计算的发展?

杰里米:所以我认为，公平地说，大多数在量子信息科学领域工作的人，特别是量子计算领域的人，相信通用量子计算机还需要几十年的时间。但我们乐观地认为，使用这种量子行走式技术，我们将能够在5年的时间内制造出一种能够完成传统计算机无法完成的事情的设备。

本:那是杰里米·奥布莱恩和在他之前的乔纳森·马修，他们解释了量子行走现象如何有助于引发计算机革命。他们的论文本周发表在《科学》杂志上。