量子，作為十大裝逼話題之一，吹牛時捎上幾句，效果棒棒的！不但咱民科喜歡吹，各國官科也好這口：俄羅斯量子中心測試了全球首個“量子區(qū)塊鏈”系統(tǒng)；中科大量子信息重點實驗室首次實現(xiàn)在固態(tài)系統(tǒng)中對三維量子糾纏態(tài)的量子存儲，俗稱“量子U盤”；美國羅切斯特大學(xué)研發(fā)出一種抗干擾的“量子雷達(dá)”；德國弗勞恩霍夫開發(fā)了微磁場下的“量子傳感器”；荷蘭將建全球首個“量子互聯(lián)網(wǎng)”；谷歌發(fā)布全球首個72量子比特通用“量子計算機(jī)”……懵了沒？

鑒于全球的過熱吹捧，咱潑點冷水，先重新認(rèn)識一下量子力學(xué)這位幕后英雄。

百年量子

19世紀(jì)末物理學(xué)差不多就被技術(shù)榨干了，所幸20世紀(jì)初誕生了相對論和量子力學(xué)。相對論直到今天幾乎還是一塊未開墾的處女地，人類這一百年的技術(shù)進(jìn)步主要靠消化量子力學(xué)，只是消化方式比較單一：量子力學(xué)>新材料>應(yīng)用技術(shù)。

量子力學(xué)以“新材料”方式推動技術(shù)發(fā)展，比如半導(dǎo)體材料導(dǎo)致計算機(jī)誕生?，F(xiàn)在的材料學(xué)、化學(xué)、固體物理、核物理的理論基礎(chǔ)都是量子力學(xué)，可見其貢獻(xiàn)之大。

除此之外，量子理論很少(是很少)有直接應(yīng)用，不然我們的生活就變得和修仙界差不多了，瞬移術(shù)、穿墻術(shù)、分身術(shù)滿天飛。

如果說，人類挖掘自然規(guī)律是一場戰(zhàn)爭的話，理論物理便是正面戰(zhàn)場。自20世紀(jì)中葉以來，人類奮戰(zhàn)半個世紀(jì)，竟無寸功！引用劍橋大學(xué)物理學(xué)家Neil Turok的話：“自1970年代后，所有的理論工作都還沒有產(chǎn)生一個成功的預(yù)言?！睋Q句話說，理論物理已經(jīng)原地踏步快半個世紀(jì)了！前陣子的上帝粒子和引力波驗證的是上個世紀(jì)的理論。

于是，留給工程師的只有兩條路，其一，正面硬杠相對論；其二，開辟量子力學(xué)的第二戰(zhàn)場，即通過“非材料”的方式開發(fā)量子力學(xué)，也就是現(xiàn)在媒體們叫的“量子技術(shù)”。

顯然后者更靠譜些，畢竟量子力學(xué)多少還是有些成熟的直接應(yīng)用，比如原子鐘、掃描隧道顯微鏡等。順便開個玩笑，如果原子鐘是今天發(fā)明的，按照現(xiàn)在的氛圍，名字一定叫“量子鐘”。

量子計算機(jī)、量子通信等技術(shù)的涌現(xiàn)，正是在量子力學(xué)領(lǐng)域開辟的第二戰(zhàn)場，但這并不代表人類在與自然爭斗的戰(zhàn)場上高歌猛進(jìn)，相反，它可能是人類對現(xiàn)存理論物理的最后一點應(yīng)用開發(fā)了。

冷水潑完了，下面該澆熱水了。

運算原理

傳統(tǒng)計算機(jī)的一次運算，究竟指啥？

回顧前文：傳統(tǒng)計算機(jī)的1和0是用電流(或電壓)實現(xiàn)的，有電流代表1，沒電流代表0。所謂運算，本質(zhì)上是把一大串1和0，變成另一大串1和0，而這個轉(zhuǎn)變過程是由一堆PN結(jié)組成的電路完成的，也就是處理器。

我們平時說的32位處理器或64位處理器，指的是一次能處理的最大位數(shù)。比如32位處理器一次可以把一串32個1、0組成的指令變成另一串1、0，假如你有一串320個1、0組成的指令，那就得排著隊，一組一組進(jìn)入處理器，一共得處理10次。所以這效率嘛，就有點勉強(qiáng)。當(dāng)然，這是膚淺的理解，將就一下！

有個事情別搞混了，計算機(jī)一般用“浮點運算”表示性能，和上面說的運算含義不同，就像百米沖刺是看誰先到終點，而不是看誰步數(shù)邁得多。

雖然處理器動不動每秒多少多少億次，但實際上干不了多少活，因為一個很簡單的操作，就要處理成堆成堆的1、0。舉個粒子：

猜猜這是啥？這是放大了約50倍的手機(jī)屏幕(親手拍的，保管錯不了)，縮小一些：

看看，手機(jī)上的白色，就是三種顏色挨得近了而已！再縮小，就成了絢麗多彩的畫面：

現(xiàn)在我們輕輕劃一下屏幕，想象一下這些三色發(fā)光點得忙成啥樣？

這個蹩腳的例子，隱約說明了處理器的窘境，它就像一臺超大功率抽水機(jī)，但面對汪洋大海一般的數(shù)據(jù)，顯然有些力不從心。

于是，解決思路來了。

其一，能不能別用1和0這種笨辦法表示數(shù)據(jù)？從而把汪洋大海變成湖泊溪流，減少數(shù)據(jù)總量。這個……留給未來的數(shù)學(xué)天才吧！

其二，能不能別用電流電壓來實現(xiàn)1和0？這還真有，比如機(jī)械硬盤的1、0是用磁針方向?qū)崿F(xiàn)的，不過調(diào)整磁針方向遠(yuǎn)不如控制電流電壓方便，所以，從硬盤拷電影的時候，處理器還有空閑干其他活。

必須得找到更好的物理現(xiàn)象來實現(xiàn)1和0，使得處理器性能輕松飆升，一口氣把汪洋大海抽干了。

行文至此，主角登場。

量子計算原理

開山鼻祖得認(rèn)識一下，量子力學(xué)的大神級人物，費曼。他老人家說，既然世界是量子的，那研究世界最終還得靠量子的方法，于是提出了量子計算機(jī)的概念！

量子通信是量子糾纏的直接應(yīng)用，這茬前文已經(jīng)說過了，而量子計算機(jī)則是量子疊加態(tài)的直接應(yīng)用。何謂“疊加態(tài)”？

你以為我又要說“薛定諤的貓”了吧？偏不！咱換個比喻，疊加態(tài)這玩意兒和眼神有點像，一個眼神可以既包含愛，又包含恨；再細(xì)分一些，可以包含65%的愛和35%的恨；更重要的是，愛和恨互不干擾，也就是說，看到愛的人看不到恨，看到恨的人看不到愛。

比如，本僧一個眼神瞄過來，有人感受到愛，有人感受到恨，于是這倆人又分別一個眼神瞟給下一個，最后得到不同的計算結(jié)果。

若是換成傳統(tǒng)計算機(jī)，本僧得先和一人說我愛你，再和另一人說我恨你，得發(fā)兩次信息，于是效率就低了。

回到正經(jīng)的說法，傳統(tǒng)計算機(jī)只能把數(shù)據(jù)一組一組塞到處理器里，而量子計算機(jī)可以把多組數(shù)據(jù)疊在一起，一次性塞進(jìn)去。這是量子計算機(jī)最主要的優(yōu)越性：并行計算。

為了表明本僧略懂量子力學(xué)，容我顯擺個公式，能看懂的盆友，若有機(jī)會來老和山，本僧親自為你化緣。

總的來說，用疊加態(tài)描述信息，1個量子態(tài)可以同時包含2個信息，2個量子態(tài)就是4個，3個量子態(tài)就是8個，以指數(shù)增長。這是非常驚人的，傳統(tǒng)的32位處理器一次只能塞32個信息，而10個量子態(tài)一次就可以塞1024個信息，如果增加到50個，性能就達(dá)到了當(dāng)前最快的超級計算機(jī)，而100個量子態(tài)就達(dá)到了全世界計算能力總和的100萬倍。

回過頭說，為什么粒子有疊加態(tài)這么奇葩的屬性？答案只有兩個字：呵呵。

技術(shù)實現(xiàn)

原理有了，用什么技術(shù)去實現(xiàn)呢？這種疊加態(tài)信息怎么做運算呢？運算后又怎么輸出呢？如果沒有量子力學(xué)的功底，很難理解這個技術(shù)過程，大伙看個味道就散了，不要深究！

切記，不要自學(xué)量子力學(xué)，簡稱：不自量力。

光量子計算機(jī)

先以中科大潘建偉老師的光量子計算機(jī)為例，畢竟名氣最大嘛。如果非要分類的話，潘老師首先是量子通信專家，其次才是量子計算機(jī)專家，所以用光子比較順手，以光子的偏振方向代表1和0。

首先是單光子源，這家伙每次只產(chǎn)生一個光子，一個光子被特定晶體劈成兩半就可以成為相互糾纏的2個光子，多劈幾次就可以產(chǎn)生5個糾纏光子(可翻看前文《再話量子世界》)，然后分成5路進(jìn)入光學(xué)量子網(wǎng)絡(luò)，接著在這個16×16 矩陣中，對光量子進(jìn)行操作，最后用單光子探測器，探測量子計算結(jié)果。

光子被劈得越多，對整個系統(tǒng)的要求就越高，目前潘建偉團(tuán)隊成功劈出了5個糾纏光子，運算性能首次超過人類第一臺計算機(jī)。

不過還是得強(qiáng)調(diào)一下，雖然咱光量子計算走在了世界前列，但現(xiàn)在說成量子計算機(jī)為時過早，甚至連CPU都算不上，只能說把量子計算這條路趟開了。

滿足一下好奇心，如此科幻的設(shè)備，該是長啥樣？

這感覺，是不是有點當(dāng)年30噸重的第一臺計算機(jī)的味道了？有沒有可能把這堆東西也壓縮到指甲蓋那么大呢？

超導(dǎo)量子計算機(jī)

用光子做載體優(yōu)點很明顯，缺點也很明顯，光子這玩意兒轉(zhuǎn)瞬即逝，沒法做更細(xì)膩的操作，普遍認(rèn)為可延展性不強(qiáng)，能做到10個量子態(tài)就算大仙了。

超導(dǎo)量子系統(tǒng)相比于其他量子系統(tǒng)，有無可比擬的可操作性和可延展性，被認(rèn)為更有可能實現(xiàn)大規(guī)模集成的量子芯片，這貨可以輕松做到幾百個量子比特。同樣的，優(yōu)點明顯，缺點也明顯。

超導(dǎo)量子計算的核心單元是一種“超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體”三層結(jié)構(gòu)的約瑟夫森結(jié)，電子有一定概率穿透中間的絕緣層，跳到另一層超導(dǎo)體上，但是這種電子的自由度很高，不那么聽話，所以錯誤率賊高。

還記得2017年5月3日刷屏的新聞吧？《首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)在中國誕生》，那次其實一口氣發(fā)布了2臺量子計算機(jī)，除了光量子計算機(jī)，還有一臺10量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)(賣相不太好看，見下圖)。

把那天的事情再捋一捋：光量子計算機(jī)用5個糾纏光子，運算速度超過了人類第一臺計算機(jī)；超導(dǎo)量子計算機(jī)實現(xiàn)了10量子比特糾纏，打破之前谷歌的9量子比特紀(jì)錄。這是兩件事，也是兩撥人做的。

離子阱量子計算機(jī)

相比不聽話的電子，離子的個頭就大多了，控制起來相對容易，量子邏輯門也更容易實現(xiàn)，所以離子阱量子計算機(jī)是最早的量子計算機(jī)方案。

把原子外面的電子打飛就得到了離子，用低溫把離子關(guān)起來，用它的兩個能級代表1和0，測量能級有很成熟的技術(shù)，觀察光譜就行，而且只要激光一照離子就能當(dāng)邏輯門使用，實現(xiàn)1和0的轉(zhuǎn)化，完成邏輯運算。

但是呢，幾個離子還關(guān)的住，數(shù)量一多也就放羊了，而且激光操作的效率實在有些感人，問題也是一堆。這套路主要是奧地利因斯布魯克大學(xué)和美國科羅拉多大學(xué)在玩。

因斯布魯克大學(xué)的離子阱

其他

微觀領(lǐng)域的量子效應(yīng)一抓一大把，所以實現(xiàn)途徑還有：液相或固態(tài)核磁共振、中性原子、光學(xué)(波導(dǎo))、腔量子電動力學(xué)、半導(dǎo)體量子點，等等，玩家多集中在歐美中。

爭議

雖然媒體上一片祥和，但業(yè)內(nèi)的爭議從沒停過，悲觀者認(rèn)為現(xiàn)在是群魔亂舞、嘩眾取寵，而樂觀者認(rèn)為翻天覆地只在旦夕間，馬上可以攜手走入新時代。那么，爭論的焦點是啥呢？

李逵和李鬼

下面這個知識點，你要整明白了，說你是外行都沒人信。

傳統(tǒng)計算機(jī)靠邏輯門完成運算，同樣的，量子計算機(jī)的運算也需要邏輯門。復(fù)雜點說，就是通過幺正變換來實現(xiàn)量子比特從一個狀態(tài)變換到另一個狀態(tài)。更復(fù)雜點說，量子邏輯門，就是量子力學(xué)中的幺正算符，幺正算符作用到量子態(tài)上，使量子態(tài)按照要求進(jìn)行演化。

這么玄幻的東西，長啥樣？非常抱歉，大伙都在懵逼中……簡單點說，現(xiàn)在所謂的量子計算機(jī)，幾乎都是沒有邏輯編碼的。更簡單點說，量子計算機(jī)暫時還沒辦法把1變成0、把0變成1。更不客氣的說，現(xiàn)在的量子計算機(jī)不具備真正意義上的運算能力。

那我們還起個什么勁??？

別急，還有救。

2013年美帝兩位計算機(jī)科學(xué)家S. Aaronson 和A. Arkhipov提出了“波色取樣”，通過對經(jīng)過線性器件處理的玻色子概率分布進(jìn)行抽樣，可以很快求出矩陣常值。啥意思呢？

借個圖說明一下，無數(shù)的量子比特經(jīng)過特定的矩陣之后，分布是有一定規(guī)律的(如上圖)，把這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計出來就可以算出矩陣常值。

反正這是一個純數(shù)學(xué)問題，說多了我也暈。咱只要知道，這對人工智能極有用處，比如圖像搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

從學(xué)術(shù)上說，這并不是一臺真正的計算機(jī)，于是，科學(xué)家們?nèi)×藗€新名字“專用量子計算機(jī)”，俗稱量子模擬機(jī)。

與之對應(yīng)的就是“通用量子計算機(jī)”，這貨有量子邏輯門，能把1變0，是真正意義上的量子計算機(jī)。

可惜的是，前者商業(yè)化速度快趕上摩爾定律了，后者卻仍在龜速挪動中。

漫天飛舞的量子計算機(jī)

既然閹割版的量子計算機(jī)在人工智能方面展現(xiàn)出了誘人前景，那商業(yè)巨頭們還不得像鯊魚聞到血腥味。于是，資本一到，量子滿天飛。

最早登場的是加拿大D波公司，2011年洛克希德馬丁以1000萬美元買了D波公司的第一臺128量子比特的商業(yè)化專用量子計算機(jī)D-Wave One，2013年5月Google又以1500萬美元買了第二代512量子比特的D-Wave Two，現(xiàn)在D波公司已經(jīng)推出了2000量子比特的計算機(jī)。你沒看錯，是2000個量子比特，不過，實測情況很尷尬……這擦邊球水平快趕上中國乒乓球隊了。

2015年谷歌聯(lián)合其他單位實現(xiàn)了9量子比特；2017年5月咱發(fā)布了10量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)；同月，IBM推出了16量子比特；10月，英特爾出了17量子比特；11月IBM直接飆到了50量子比特；2018年1月英特爾跟上了49量子比特……這節(jié)奏太緊張，看看圖放松一下：

依次是英特爾的“7-Qubit、17-Qubit、49-Qubit”量子芯片原型。

這罐子里的就是IBM的量子計算機(jī)，因為是超導(dǎo)材料，需要極低溫環(huán)境。IBM的量子計算機(jī)可供大眾網(wǎng)絡(luò)訪問，不過大伙不用去湊熱鬧了，使用體驗和傳統(tǒng)計算機(jī)毫無差別。打開罐子是這個樣子：

高清大圖：

詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖：

有沒有覺得，超導(dǎo)量子計算機(jī)的造型比光量子計算機(jī)科幻很多？這是最新的升級版：

這種地盤，谷歌必然不會缺席，2018年3月號稱要推出72位的通用量子計算機(jī)，看仔細(xì)，是“通用”量子計算機(jī)！谷歌欲一舉定乾坤，實現(xiàn)“量子霸權(quán)”(這是個術(shù)語，意思是你們可以歇菜了，我的計算機(jī)足夠全世界一起用)，后來谷歌可能覺得牛皮吹破了，又出來不痛不癢謙虛了一番。

谷歌取名字還是很有一手的，用地球上最古老的樹木Bristlecone狐尾松，來命名他們的72量子比特量子計算機(jī)。

還有更玄乎的，2015年加州大學(xué)圣芭芭拉分校首次發(fā)現(xiàn)，人腦認(rèn)知可能是一種量子效應(yīng)，于是要把大腦量子計算機(jī)化。呃，原來咱們?nèi)巳硕柬斨慌_量子計算機(jī)??！

總的來說，專用量子計算機(jī)(不是通用量子計算機(jī))在美帝融資算是順利的，谷歌、IBM、英特爾領(lǐng)跑，后面還有亞馬遜、高盛、黑莓、微軟、惠普，甚至還有CIA的資金。

國內(nèi)就冷清多了，除了國家投錢，貌似只有“阿里巴巴量子計算聯(lián)合實驗室”，2018年2月上線了11量子比特超導(dǎo)量子計算服務(wù)的云平臺。

后記

看過紅紅火火的專用量子計算機(jī)，再看舉步維艱的通用量子計算機(jī)，兩者境遇令人唏噓！能真正改變世界的通用量子計算機(jī)，前程堪比“聚變發(fā)電”，說多了都是淚。

2018年2月有則默默的小新聞：郭光燦院士團(tuán)隊在半導(dǎo)體量子芯片研制方面再獲新進(jìn)展，在國際上首次實現(xiàn)了半導(dǎo)體體系中的3量子比特邏輯門操控，為未來研制集成化半導(dǎo)體量子芯片邁出堅實一步。

仔細(xì)看這段新聞及最后一句評價，能看出名堂嗎？圈個重點：邏輯門操控。

但凡關(guān)心量子技術(shù)的，幾乎無人不識潘建偉，卻鮮有人知郭光燦。潘建偉是媒體封的“中國量子之父”，郭光燦是官方認(rèn)證的“中國量子之父”，中國量子技術(shù)的開創(chuàng)者和奠基人，妥妥的中國第一人。實際上，潘建偉正是郭光燦從奧地利挖回來的。

郭光燦在理論方面的貢獻(xiàn)也非常豐碩，他提出的“利用光腔制備兩原子糾纏的方案”，被法國科學(xué)家沙吉·哈羅徹實驗證實，后者因此獲諾貝爾物理學(xué)獎。在中國最有可能得諾貝爾物理學(xué)獎的名單上，郭光燦是熱門人選。有興趣的同學(xué)可以看看這篇專訪《量子信息奠基人郭光燦：別人造星，我造“科技界富二代”》。