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

談到量子技術(shù)，我們不約而同都會想到量子通信。在全球首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”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，通信只是量子技術(shù)應(yīng)用的一個領(lǐng)域而已，作為一項底層技術(shù)，量子技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)地可不僅限于此。根據(jù)英國政府科學(xué)辦公室近期發(fā)布的一份量子技術(shù)報告《量子技術(shù)：時代機(jī)會》，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、量子傳感和測量、量子計算和模擬、量子通信。該報告還認(rèn)為，這幾大領(lǐng)域有望挖掘出新產(chǎn)品和新服務(wù)價值。

于是我們今天就來看看多面量子的另一面：量子計算。

量子計算之于物聯(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)，因此對現(xiàn)有的計算性能提出了更高的要求。

另一方面，計算領(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。在此，量子計算被寄予厚望，與內(nèi)存中運(yùn)算、分子電子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計算等技術(shù)一起，被看做是未來有望驅(qū)動計算性能的指數(shù)級增長的“拯救者”。

最近大火的人工智能也要依賴量子計算——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)，而這正是量子計算機(jī)的優(yōu)勢所在。早在2015年中科大就測試過能夠辨認(rèn)手寫字體的量子人工智能，而那僅僅是一臺4 qubits的量子計算機(jī)，難以想象千位量子計算機(jī)會是一種怎樣的概念。

MIT機(jī)械工程教授Seth Lloyd說，一臺300Q的量子計算機(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)知計算系統(tǒng)Watson的CTO表示，量子計算和人工智能的協(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，探測更敏捷，耗能更低。量子計算機(jī)極有可能幫助我們實現(xiàn)所有的目標(biāo)。

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

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

那么，量子計算機(jī)是什么？首先，要知道量子是什么。

一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，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，我們身處的這個世界就是由量子組成的。

其次，量子計算是什么？

量子計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)）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計算科學(xué)。在最終的運(yùn)算結(jié)果上，量子計算機(jī)和傳統(tǒng)計算機(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)比特在特定時刻只能處于0或1這兩種狀態(tài)中的一種，所以計算能力有限。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表示大量的數(shù)。而一臺真正意義上的量子計算機(jī)將包含幾百甚至上千個量子比特，其計算能力將是無比強(qiáng)大的。

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

最后，量子計算機(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)計算機(jī)，量子計算機(jī)的計算處理能力可提升百億億倍。

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

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

大事記列表

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出“量子計算機(jī)”的概念。

1994年，貝爾實驗室的彼得·秀爾證明量子計算機(jī)能夠完成對數(shù)運(yùn)算，且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計算機(jī)。

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

2005年，世界第一臺量子計算機(jī)原型機(jī)在美國誕生，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糾纏光子在加那利群島的兩個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，美國哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。

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

2012年3月，IBM做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時，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算起跑線

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

在國內(nèi)通過不同方法開展量子芯片研究的有中國科技大學(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，主要是量子計算和神經(jīng)計算。2016年的5月，IBM發(fā)布了5個量子比特的量子計算云服務(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)的通用量子計算機(jī)。其中，IBM還完成了兩個很重要的突破：

一是同時檢測兩種量子誤差（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)然落實在實際硬件開發(fā)應(yīng)該還會有新的問題。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)量子計算處理器， 隨后，美國宇航局NASA與谷歌合作開發(fā)出D-Wave量子模擬機(jī)，并宣布對某些問題的求解速度已超過傳統(tǒng)計算機(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)研制計劃，并在其公布的量子計算機(jī)研究報告中稱，它們計劃明年增加至49量子比特！這是一個極為關(guān)鍵的門檻。有學(xué)者預(yù)計，在50量子比特左右，量子計算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”。這對于計算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的從業(yè)者們，簡直是比中500萬個大訂單更有誘惑力。

對于只能解決特定問題的量子計算機(jī)，谷歌為何如此熱衷呢？可能是因為量子退火機(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)量子計算機(jī)。

英特爾在美國俄勒岡州波特蘭擁有一支量子硬件工程師團(tuán)隊，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，從而讓其快速計算。

英特爾曾報告稱，他們現(xiàn)在可以在芯片工廠中，將量子計算機(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，正在進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計。

微軟認(rèn)為，量子計算正處在理論研究轉(zhuǎn)向工程研發(fā)的轉(zhuǎn)折點?？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。

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

它選擇的獨特研發(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)時會出現(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，微軟還啟動了相應(yīng)的量子計算軟件研發(fā)項目，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，共同促進(jìn)。

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

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

在談及量子技術(shù)時，國人常常會有莫名奇妙的優(yōu)越感，甚至妄自尊稱“量子霸權(quán)”。誠然，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，中國與美國仍有差距。英國政府《量子技術(shù)：時代機(jī)會》中，對全球各國的量子技術(shù)排名中也有所體現(xiàn)：

中國科學(xué)院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦先生對于這個問題，不無感慨地說：

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

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

雖然如此，但好在國人一些產(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量子計算機(jī)研究室，其中中國科學(xué)院在量子信息技術(shù)方面處于國際先進(jìn)水平。該實驗室計劃到2025年，量子模擬將達(dá)到當(dāng)今世界最快的超級計算機(jī)的水平，2030年達(dá)到目前頂級超算的百億億倍。

另外，歐洲在量子技術(shù)領(lǐng)域也有重大布局。

在2016年歐洲量子會議上，歐盟發(fā)布《量子宣言》，宣布將支持一項十億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃。《量子宣言》對量子計算機(jī)的研制做出了詳細(xì)部署，他們計劃5年內(nèi)發(fā)展處量子計算機(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算機(jī)“超過傳統(tǒng)計算機(jī)的計算能力”。

另外，2016年底，獨立后的英國政府也發(fā)布量子技術(shù)報告《量子技術(shù)：時代機(jī)會》，提出重視量子應(yīng)用五大領(lǐng)域，促進(jìn)量子領(lǐng)域競爭。未來會與國際接軌，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、磷摻雜的量子計算方案，并于今年年初成立了硅基半導(dǎo)體量子計算國家實驗室。這些努力為取道半導(dǎo)體方案研制量子計算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

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

通用的量子計算機(jī)何時到來？

“量子計算機(jī)何時能夠被研發(fā)出來？”

郭光燦向國外同行拋出這個問題時，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)和計算機(jī)學(xué)界仍在爭議——能否制造出像支持者設(shè)想的那樣工作的量子計算機(jī)。

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

其實，這與世界上第一臺計算機(jī)誕生時,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，由iot101君編輯整理】

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