當(dāng)全世界計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的巨頭們都興奮于量子計(jì)算火候已到，紛紛豪擲重金投入這場(chǎng)“未知”風(fēng)口時(shí)，我們不妨冷靜地來看看它究竟成長(zhǎng)到了哪個(gè)階段~

談到量子技術(shù)，我們不約而同都會(huì)想到量子通信。在全球首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”的重磅代言下，量子通信一詞成功打入人民群眾內(nèi)部。

但其實(shí)，通信只是量子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域而已，作為一項(xiàng)底層技術(shù)，量子技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)地可不僅限于此。根據(jù)英國(guó)政府科學(xué)辦公室近期發(fā)布的一份量子技術(shù)報(bào)告《量子技術(shù)：時(shí)代機(jī)會(huì)》，這里邊就提及了未來量子應(yīng)用的五大領(lǐng)域，分別是：原子鐘、量子成像、量子傳感和測(cè)量、量子計(jì)算和模擬、量子通信。該報(bào)告還認(rèn)為，這幾大領(lǐng)域有望挖掘出新產(chǎn)品和新服務(wù)價(jià)值。

于是我們今天就來看看多面量子的另一面：量子計(jì)算。

量子計(jì)算之于物聯(lián)網(wǎng)的重要性

隨著物聯(lián)網(wǎng)體量的不斷擴(kuò)增，大數(shù)據(jù)和計(jì)算性能凸顯出愈加重要的地位。日益激增的大數(shù)據(jù)流急需更加敏捷和精準(zhǔn)的分析處理技術(shù)，因此對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算性能提出了更高的要求。

另一方面，計(jì)算領(lǐng)域近年來受制于摩爾定律的大限，硅芯片逼近物理和經(jīng)濟(jì)成本上的極限，從業(yè)者們紛紛開始尋求芯片集成度以外的突破點(diǎn)。在此，量子計(jì)算被寄予厚望，與內(nèi)存中運(yùn)算、分子電子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等技術(shù)一起，被看做是未來有望驅(qū)動(dòng)計(jì)算性能的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的“拯救者”。

最近大火的人工智能也要依賴量子計(jì)算——人工智能領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一就是處理海量數(shù)據(jù)，而這正是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。早在2015年中科大就測(cè)試過能夠辨認(rèn)手寫字體的量子人工智能，而那僅僅是一臺(tái)4 qubits的量子計(jì)算機(jī)，難以想象千位量子計(jì)算機(jī)會(huì)是一種怎樣的概念。

MIT機(jī)械工程教授Seth Lloyd說，一臺(tái)300Q的量子計(jì)算機(jī)就足以運(yùn)算自宇宙大爆炸以來歷史上所有的數(shù)據(jù)信息。IBM認(rèn)知計(jì)算系統(tǒng)Watson的CTO表示，量子計(jì)算和人工智能的協(xié)同合作是一件非常自然的事情。如果人工智能想要超越并提升人類的認(rèn)知水平，運(yùn)算必須要更快，探測(cè)更敏捷，耗能更低。量子計(jì)算機(jī)極有可能幫助我們實(shí)現(xiàn)所有的目標(biāo)。

一旦真正意義上的千位通用量子計(jì)算機(jī)面世，在很多領(lǐng)域都會(huì)掀起計(jì)算革命。

先聲明一點(diǎn)，量子計(jì)算機(jī)不是用來取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)的，而是為了處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

那么，量子計(jì)算機(jī)是什么？首先，要知道量子是什么。

一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。世界本身都是由微觀粒子組成的。所以，某種意義而言，我們身處的這個(gè)世界就是由量子組成的。

其次，量子計(jì)算是什么？

量子計(jì)算是一門利用量子力學(xué)現(xiàn)象（例如量子疊加態(tài)和量子糾纏態(tài)）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算科學(xué)。在最終的運(yùn)算結(jié)果上，量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)沒有任何不同，它們唯一的不同在于運(yùn)算過程中的天壤之別。

一般而言，由晶體管構(gòu)成的傳統(tǒng)比特在特定時(shí)刻只能處于0或1這兩種狀態(tài)中的一種，所以計(jì)算能力有限。然而，量子比特可以處于0和1的疊加態(tài)。若某個(gè)量子比特和其他量子比特彼此之間存在糾纏態(tài)，那么這一組量子比特可以同時(shí)表示大量的數(shù)。而一臺(tái)真正意義上的量子計(jì)算機(jī)將包含幾百甚至上千個(gè)量子比特，其計(jì)算能力將是無比強(qiáng)大的。

另一方面，量子計(jì)算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會(huì)出現(xiàn)非可逆操作，熵增原理導(dǎo)致的量子效應(yīng)耗能很小，正是提高量子計(jì)算并行運(yùn)算能力的物理基礎(chǔ)。

最后，量子計(jì)算機(jī)就是遵循并利用量子力學(xué)規(guī)律，進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。其運(yùn)行的是量子算法，處理速度驚人，比起傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算處理能力可提升百億億倍。

知道了什么是量子計(jì)算機(jī)，那不妨來回顧下量子計(jì)算機(jī)短小精悍的成長(zhǎng)史：

史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”。1980年代一系列的研究使得量子計(jì)算機(jī)的理論變得豐富起來。在1981年五月的MIT物理學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一次會(huì)議上，1918年出生的美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼，作了一個(gè)“Simulating Physics With Computers”的報(bào)告，揭開了研究發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的新篇章。

大事記列表

1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出“量子計(jì)算機(jī)”的概念。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得·秀爾證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

1997年，科學(xué)家首次用一對(duì)糾纏光子實(shí)現(xiàn)了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國(guó)誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對(duì)糾纏光子在加那利群島的兩個(gè)島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過了143千米。

2010年1月，美國(guó)哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國(guó)于利希研究中心發(fā)表公報(bào)：該中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)JUGENE成功模擬了42位的量子計(jì)算機(jī)。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時(shí)，保持量子比特的量子機(jī)械特性完整性。

沒有巨頭愿意輸在量子計(jì)算起跑線

近來全球許多國(guó)家和機(jī)構(gòu)都在爭(zhēng)相研發(fā)量子計(jì)算機(jī),除了美國(guó)的谷歌、IBM、耶魯大學(xué)等機(jī)構(gòu)之外,日本、澳大利亞等國(guó)家也另辟蹊徑，潛心開展了量子計(jì)算芯片等的研制項(xiàng)目。

在國(guó)內(nèi)通過不同方法開展量子芯片研究的有中國(guó)科技大學(xué)、南京大學(xué)和中科院物理所等單位,分別采用了半導(dǎo)體量子點(diǎn)芯片、超導(dǎo)量子芯片的方案；企業(yè)投入研發(fā)者較少。

IBM

2014年，IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片，主要是量子計(jì)算和神經(jīng)計(jì)算。2016年的5月，IBM發(fā)布了5個(gè)量子比特的量子計(jì)算云服務(wù)。

現(xiàn)在IBM正在研發(fā)基于超導(dǎo)效應(yīng)的量子邏輯門架構(gòu)的通用量子計(jì)算機(jī)。其中，IBM還完成了兩個(gè)很重要的突破：

一是同時(shí)檢測(cè)兩種量子誤差（quantum errors）：1. bit-flip， 2. phase-flip。從而大大增強(qiáng)量了子計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性。二是IBM提供了有史以來最好的可擴(kuò)展性。當(dāng)然落實(shí)在實(shí)際硬件開發(fā)應(yīng)該還會(huì)有新的問題。IBM接下來的目標(biāo)應(yīng)該是把量子比特加到50至100。再往后就需要更多的研發(fā)資源了。

谷歌

2014年，谷歌宣布：來自加州大學(xué)圣巴拉拉分校的知名物理學(xué)家約翰·馬提尼斯研究組加入谷歌研發(fā)量子計(jì)算處理器， 隨后，美國(guó)宇航局NASA與谷歌合作開發(fā)出D-Wave量子模擬機(jī)，并宣布對(duì)某些問題的求解速度已超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)1億倍。

但學(xué)術(shù)界還是有許多人認(rèn)為這不是真正的通用量子計(jì)算機(jī)，而是量子退火機(jī)：量子退火算法則是量子力學(xué)的絕熱演化過程，模擬了量子力學(xué)里的量子隧穿效應(yīng)。

谷歌在2016年9月提出“quantum supremacy”量子機(jī)研制計(jì)劃，并在其公布的量子計(jì)算機(jī)研究報(bào)告中稱，它們計(jì)劃明年增加至49量子比特！這是一個(gè)極為關(guān)鍵的門檻。有學(xué)者預(yù)計(jì)，在50量子比特左右，量子計(jì)算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”。這對(duì)于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的從業(yè)者們，簡(jiǎn)直是比中500萬個(gè)大訂單更有誘惑力。

對(duì)于只能解決特定問題的量子計(jì)算機(jī)，谷歌為何如此熱衷呢？可能是因?yàn)榱孔油嘶饳C(jī)運(yùn)行的算法和谷歌最關(guān)心的領(lǐng)域有關(guān)，比如用于搜索。另外，MIT研究員William Oliver也認(rèn)為，這些特定算法可能非常有利于模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)。這些恰恰都是谷歌的主力業(yè)務(wù)。

英特爾

去年年末，英特爾宣布，不走谷歌的“超導(dǎo)材料”路線，而是要用硅材料來開發(fā)量子計(jì)算機(jī)。

英特爾在美國(guó)俄勒岡州波特蘭擁有一支量子硬件工程師團(tuán)隊(duì)，他們正與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)QuTech量子研究所的研究人員展開合作。2015年，雙方共同成立了規(guī)模5000萬美元的項(xiàng)目。

這種戰(zhàn)略讓英特爾在眾多研究量子位的工業(yè)和學(xué)術(shù)團(tuán)體中表現(xiàn)突出。量子計(jì)算機(jī)的基本單元是量子位。其他公司利用超導(dǎo)電路去實(shí)現(xiàn)量子位，但英特爾認(rèn)為，這樣的量子位數(shù)量有限，量子計(jì)算機(jī)需要數(shù)千或數(shù)百萬的量子位才能得以廣泛應(yīng)用。因此，選擇硅量子位更容易完善和擴(kuò)展硅量子位，從而讓其快速計(jì)算。

英特爾曾報(bào)告稱，他們現(xiàn)在可以在芯片工廠中，將量子計(jì)算機(jī)所需的超純硅層加到標(biāo)準(zhǔn)芯片上。

微軟

早在2005年，微軟就建立了“Q站”（StationQ），由數(shù)學(xué)家米切爾·弗里德曼（Michael Freedman）領(lǐng)導(dǎo)，從事量子計(jì)算基礎(chǔ)研究。目前已經(jīng)基本完成了基本量子比特模塊的設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)。

微軟認(rèn)為，量子計(jì)算正處在理論研究轉(zhuǎn)向工程研發(fā)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?？紤]到一旦成功帶來的巨大收益，微軟不惜豪擲重金冒量子之險(xiǎn)。

量子計(jì)算火候已到，微軟不想錯(cuò)過這樣一個(gè)風(fēng)口。最近，微軟宣布將著手量子計(jì)算工程樣機(jī)研發(fā)，把已經(jīng)進(jìn)行了十多年的量子計(jì)算機(jī)研究工作付諸于實(shí)踐，而且其宣稱這可能是一臺(tái)能擊敗谷歌和IBM的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)。

它選擇的獨(dú)特研發(fā)路徑。與谷歌和IBM使用超導(dǎo)導(dǎo)線環(huán)作為量子比特不同，微軟的思路是基于一種被稱為“任意子”（anyons）的粒子，這種粒子只能存在于二維空間。并選擇是拓?fù)淞孔颖忍丶夹g(shù)。原理是電子通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)粒子，它們的交叉路徑可以用來編寫量子信息。

與此同時(shí)，微軟還啟動(dòng)了相應(yīng)的量子計(jì)算軟件研發(fā)項(xiàng)目，目的在于開發(fā)能夠求解復(fù)雜問題的軟件。軟硬件之間的研發(fā)工作可以互相推動(dòng)，共同促進(jìn)。

上述幾家巨頭的背后，均有美國(guó)政府的影子。2016年，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)辦公室發(fā)布量子信息文件稱：“預(yù)計(jì)幾十個(gè)量子比特、可供早期量子計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的系統(tǒng)可望在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。”

美國(guó)之所以進(jìn)展迅速，就在于其在量子計(jì)算機(jī)硬件、軟件乃至應(yīng)用方面都有明確的布局和集中攻堅(jiān)的力量。

在談及量子技術(shù)時(shí)，國(guó)人常常會(huì)有莫名奇妙的優(yōu)越感，甚至妄自尊稱“量子霸權(quán)”。誠(chéng)然，量子通信近些年的技術(shù)和研發(fā)成果十分亮眼，但量子技術(shù)整體的水平，中國(guó)與美國(guó)仍有差距。英國(guó)政府《量子技術(shù)：時(shí)代機(jī)會(huì)》中，對(duì)全球各國(guó)的量子技術(shù)排名中也有所體現(xiàn)：

中國(guó)科學(xué)院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦先生對(duì)于這個(gè)問題，不無感慨地說：

我們跟美國(guó)相比確實(shí)差距太大，這個(gè)差距，第一個(gè)研究水平有差距，這個(gè)可以看得出來，第二個(gè)是研究隊(duì)伍和力量有差距。這些其實(shí)也有明顯的差距，這就是我們的現(xiàn)狀。

美國(guó)政企在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的完善布局已經(jīng)上升到國(guó)家行為的層面，這或是中國(guó)應(yīng)該借鑒的。

雖然如此，但好在國(guó)人一些產(chǎn)業(yè)和研究院校、機(jī)構(gòu)有所覺醒，也在一直在量子領(lǐng)域奮勇直追，比如阿里已經(jīng)和中科院共同成立了一個(gè)量子計(jì)算機(jī)研究室，其中中國(guó)科學(xué)院在量子信息技術(shù)方面處于國(guó)際先進(jìn)水平。該實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃到2025年，量子模擬將達(dá)到當(dāng)今世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的水平，2030年達(dá)到目前頂級(jí)超算的百億億倍。

另外，歐洲在量子技術(shù)領(lǐng)域也有重大布局。

在2016年歐洲量子會(huì)議上，歐盟發(fā)布《量子宣言》，宣布將支持一項(xiàng)十億歐元的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃?！读孔有浴穼?duì)量子計(jì)算機(jī)的研制做出了詳細(xì)部署，他們計(jì)劃5年內(nèi)發(fā)展處量子計(jì)算機(jī)新算法；5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子計(jì)算機(jī)解決化學(xué)和材料科學(xué)難題”，并使研制出的通用量子計(jì)算機(jī)“超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力”。

另外，2016年底，獨(dú)立后的英國(guó)政府也發(fā)布量子技術(shù)報(bào)告《量子技術(shù)：時(shí)代機(jī)會(huì)》，提出重視量子應(yīng)用五大領(lǐng)域，促進(jìn)量子領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)。未來會(huì)與國(guó)際接軌，建立創(chuàng)新中心，聯(lián)合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，讓量子技術(shù)商業(yè)化。

其他地區(qū)

澳大利亞近年來專注于硅基、磷摻雜的量子計(jì)算方案，并于今年年初成立了硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。這些努力為取道半導(dǎo)體方案研制量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

俄羅斯也在加緊研究的步伐。俄國(guó)家研究型工藝技術(shù)大學(xué)與俄羅斯量子中心正在啟動(dòng)大型量子技術(shù)中心。該中心將進(jìn)行量子通信和量子電子學(xué)研究，還計(jì)劃為量子技術(shù)領(lǐng)域的青年人才制定并實(shí)施教學(xué)項(xiàng)目。

通用的量子計(jì)算機(jī)何時(shí)到來？

“量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能夠被研發(fā)出來？”

郭光燦向國(guó)外同行拋出這個(gè)問題時(shí)，得到的答案是：“也許明天早上，也許要等上50年，也有可能我們這輩子永遠(yuǎn)都看不到。”

迄今為止，物理學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)界仍在爭(zhēng)議——能否制造出像支持者設(shè)想的那樣工作的量子計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)所處的階段,也與當(dāng)初傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)時(shí)的情況有些類似。本年度2月《科學(xué)進(jìn)展》期刊上,英國(guó)薩塞克斯大學(xué)、谷歌公司、日本理化學(xué)研究所、丹麥奧胡斯大學(xué)和德國(guó)錫根大學(xué)的科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了一項(xiàng)大型量子計(jì)算機(jī)藍(lán)圖。設(shè)計(jì)者表示,這樣的機(jī)器占地可能超過一個(gè)足球場(chǎng),耗資至少1億英鎊(約合8.6億元人民幣)。

其實(shí)，這與世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生時(shí),真空管占滿半間教室的情形何其相似~

【編者按：本文轉(zhuǎn)自物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù)，由iot101君編輯整理】

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