11月6日，當人們的目光都聚焦於美國大選時，谷歌宣布：已經成功利用一臺54量子比特的量子計算機，實現了傳統架構計算機無法完成的任務。在世界最厲害的超級計算機需要計算1萬年的實驗中，量子計算機只用了200秒。這是一個堪稱「恐怖」的計算速度！谷歌稱其為「邁向全面量子計算的裡程碑」。
科學家表示，能量更大的量子計算機可以用比現有計算機更快的速度進行數據分析和運算，從而有望給科學、健康、生態、環境、金融等領域帶來重大改觀。什麼是量子，什麼是量子計算機，量子計算機有多強，量子計算機將給世界帶來什麼樣的變革？
釋義 什麼是量子？
量子不是一種粒子，它在多數情況下是一個形容詞而不是名詞。它也不是指分立、不連續，而是一套自然規律的總稱——這套規律是人類現有認識範圍內物質世界的「基本法」。
用個類比：古時候人們就懂得萬物生長靠太陽、種田栽樹要澆水施肥，這些都是農作物生長的規律；而現在我們知道，這些綠色植物生命活動的本質是細胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化學過程。
物理世界也是如此。我們日常生活中接觸到的各種力、熱、電、光現象大多可以用建立於十七到十九世紀的經典物理學解釋；但進入二十世紀後，科學家們發現世界是由原子組成的，如果想從分子、原子水平上更本質地理解自然現象，就必須引入一套與經典物理很不一樣的新規律，這就是量子力學。
量子物理是人類迄今為止建立的最基礎、最精確的科學理論，現代物理學的主體就是量子力學在各種不同物質尺度上的具體延伸和應用。然而，依人們日常的經驗和直覺來看，這套規律非常詭異，尤其是下面三點：
量子疊加（quantum superposition）：在量子世界中，物體可以同時處於不同狀態的疊加上。從另一個角度說就是「波粒二象性」。
量子糾纏（quantum entanglement）：在量子世界中，相互作用的物體之間存在著一種不受距離限制的、用任何經典規律都無法解釋的關聯。這種關聯攜帶著信息，使得發生糾纏的各個物體處於一種不可分割的整體狀態，不能分別描述。
量子測量（quantum measurement）：量子世界中不存在安靜的暗中觀察者，測量不是被動地讀取信息，而會根本地改變被測物體的狀態。量子測量的這種必須幹擾被測物體的詭異屬性使得人們從量子系統中獲取信息變得極其困難。
量子力學的正式建立距今已有九十多年，是一套相當成熟的科學理論，但「如何控制量子物體」的研究卻一度進展得相當緩慢。相比於對微觀世界的認識，人類在實驗上控制、測量量子系統的能力還相對落後，由此導致的結果是，人類對量子力學的應用至今仍非常初級。
解惑 什麼是量子計算機？
量子計算機不是「下一代計算機」，不是電子計算機的升級版，而是科學家構想中的一種高度複雜、高度可控的人造量子系統，是人類當前設想中最複雜、實現難度最大的量子機器。
科學家預測，經典計算機未來仍將承擔收發郵件、視頻音樂、網路遊戲等功能，而量子計算機則將用於解決大型分子模擬、尋找大數質因數等經典計算機無法模擬的領域，並在AI計算領域對傳統算力進行提升。
量子計算機基於量子疊加和量子糾纏等原理製成。可以由著名的「薛丁格的貓」來理解——箱子裡有一隻貓，在宏觀世界中它要麼是活的，要麼是死的，但在量子世界中，它可以同時處於生和死兩種狀態的疊加。
將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在概率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。但是，不可能存在既死又活的貓，那麼必須在打開容器後才知道結果。
當我們打開密閉容器後，貓就不再處於疊加狀態，而是死貓或者活貓的唯一狀態。同樣，量子計算機在經過量子算法運算後每一次測量都會得到唯一確定的結果，且每一次結果都有可能不相同。
雖然量子計算機每一次的測量結果都類似「上帝擲骰子」會發生不同變化，但是只要量子算法設計合理，量子計算機運算結果中出現概率最大的結果就是正確結果。面對較為複雜的計算問題，經典算法需要進行各態遍歷等重複操作，算法的複雜度較高，而量子算法則能較快得到結果，只需少數測量取樣得到計算結果概率即可知道正確結果。
量子計算的原始概念可以追溯至上世紀70年代，那時經典計算機行業剛剛進入騰飛階段。1970年，斯蒂文·威斯納（Steven Wiesner）就設想量子信息處理是解決密碼邏輯較好的一種方式，這是量子計算最早的火花。
在1982年發表的一篇論述使用計算機模擬量子系統的論文中，諾貝爾獎得主、理論物理學家費曼認為，在經典計算機上模擬量子力學需要指數級的硬體投入，而他給出的建議則是，使用量子計算機。
1994年，貝爾實驗室的休爾發布了一篇論文，一下子讓量子計算的概念大放異彩。在這篇論文中，他展示了量子算法分解一個1000位的質因數所需要的時間，傳統計算機大約需要10萬萬兆年的時間，而量子計算機的話只需要20分鐘就可以做到。這樣的對比，讓量子計算的概念迅速傳播開來。
在1998年，英國牛津大學的研究人員宣布他們在量子計算領域獲得了突破性進展，可以實現兩個量子比特來進行信息的運算。時間快進到2017年，IBM證明了用50個量子比特來進行計算是可行的。在20年的時間內，量子比特的數目提升了25倍。
2019年10月底，谷歌宣布其名為Sycamore的53位晶片已經成功實現「量子優越性」（Quantum Supremacy），可以在200秒內完成世界上最快的超級計算機IBM Summit需要10000年才能完成的計算。《紐約時報》將谷歌這次獲得的研究成功與萊特兄弟的飛機首飛所取得的成就相提並論。
評價 量子計算機有多強？
日前，谷歌的54量子比特的量子計算機小試牛刀：僅僅用了3分20秒，就完成了世界第一超算計算機需要大約1萬年來完成的計算。
換句話說，即使是現在這種最初級的量子計算機，其性能也遠高於今天最先進的超級計算機。
再舉個例子：要破解現在常用的一個RSA密碼系統，用當前最大、最好的超級計算機需要花60萬年，但用一個有相當儲存功能的量子計算機，則只需花不到3個小時！
在量子計算機面前，我們曾經引以為豪的超級計算機，就相當於以前的算盤，顯得笨重又古老！
有人或許還會問：量子計算機為什麼那麼牛？
歸根結底，在於量子計算機和傳統計算機所運用原理和路徑，是完全不一樣的。
現有傳統電子計算機的運算單元，一個比特在特定時刻只有特定的狀態，要麼是0，要麼是1。
量子計算機利用量子特有的「疊加狀態」，採取並行計算的方式，終極目標可以讓速度以指數量級提升。
這樣說，估計很多人都要暈菜了。給大家講一個故事吧。
中國有一個寓言，叫「楊子見歧路而哭之」。楊朱聽說有一隻羊在道路分叉的地方走失了，不知道走哪條路去尋找，難過得哭了。傳統計算機解答問題也是這種套路：只能是先走一條路，然後再走另外一條路，做不到兩條路一起走。
量子計算機則不一樣，它可以像孫悟空變出很多個小孫悟空走不同的路一樣，搞平行計算。這就相當於，一臺計算機，一下子化身成千千萬臺計算器，同時開工做算術題。
從電子計算機飛躍到量子計算機，人類的計算能力、處理大數據的能力，就將出現上千上萬乃至上億次的提升。
前景 如何應用量子計算機?
谷歌研究人員在本周向美國國家航空航天局（NASA）提交的論文中寫道，其實驗標誌著量子處理器上執行的首次計算。而這一堪稱「恐怖」的計算速度，被研究人員稱作是「量子霸權」的證明。谷歌稱其為「邁向全面量子計算的裡程碑」。他們還預測，與摩爾定律的指數速度相比，量子計算機的能力將以「雙指數速度」（double exponential rate）發展。
2020年8月28日，在頂級期刊《科學》雜誌的封面上，印著一個奇怪的畫面。在黑色的背景上，一個類似於計算機晶片的東西，向下投射出一束神秘的藍光。在藍光的映照下，飛舞著一些有機化學分子。這是谷歌公司的量子計算晶片在不到一年的時間裡，第二次登上頂級期刊的封面，上一次是在2019年9月底的時候，谷歌公司用53個量子比特的量子計算機實現了所謂的「量子霸權」，從而登上了頂級期刊《自然》雜誌的封面。
當然，谷歌不是唯一一家在量子計算機取得突破的企業。今年9月，IBM曾宣布在10月推出53量子比特的可商用量子計算機，向外部用戶開放使用。這說明IBM第一臺量子計算機面市比以前設想的要快得多，今年就可進入到實用環節。
谷歌、IBM量子計算機的發展突飛猛進，宣示以前看起來遙不可及的量子計算機，一下子就逼近人類的身邊。當量子計算和人工智慧及基因科學結合在一起，那麼，人類可能會產生連大自然都沒有想到的結果。
比如一款款冷冰冰的量子計算機，將擁有了像人一樣的自學和思考能力，而且回過頭來，還能秒殺人類。因為，人工智慧需要超級計算、超大容量的數據存儲和超速聯接的支撐才能實現。現在，量子計算機+人工智慧，將不斷迭代出更高級的量子計算機+人工智慧，發展的斜率將一下子陡峭起來。
有了磅礴的算力和人工智慧，再加上基因科學，人類就可能對人類體內的「生命軟體」重新編程，即重組人體內被稱為基因的23000個「小程序」，幫助人類遠離疾病和衰老，乃至產生全新的人類。
量子計算機將對健康、生態、環境產生重大影響，並可能解決所有涉及生命系統的問題。比如，通過設計出新的蛋白質，來抗擊疾病、解決塑料汙染等，應對眾多世紀難題。
而這，僅僅是人工智慧與基因科學結合的開始。今後，依靠人工智慧和基因技術，人類將能重塑體內一切組織和器官的活性，並能夠開發出藥物，直接鎖定一種疾病背後的代謝流程，而不必再採取試探性的治療手法。還可以為病人添加那個缺少的基因，刪除不好的基因。靶向藥掃蕩癌細胞，DNA編程逆轉衰老，幹細胞被改寫，上帝的密碼防線逐漸崩潰。
根據谷歌科學家庫茲韋爾的觀點，到了2045年，人工智慧的創造力將達到巔峰，超過今天所有人類智能總和的10億倍。到了那時，人類將徹底改造基因的編程，我們上千年不再使用的陳舊基因將被拋棄，我們的生命將升級成為一個更高級的作業系統。
有專家預測，量子計算+人工智慧+基因科學，這三位一體形成的科技合力，對人類社會家庭乃至整個社會的衝擊，將是前所未有的。
在不遠的將來，人類在量子計算+人工智慧+基因科學面前，就可能像螞蟻面對人類一樣無力和脆弱。如果人性善的一面，控制不住因為量子計算+人工智慧+基因科學放大的惡的能力，那麼，人類或將陷入極為危險的境地。
現在，美國軍方開始研究人工智慧項目，其中就包括這種人工智慧殺手。可以想見，一旦這種技術廣泛運用，就會把戰爭衝突升級至前所未有的規模，而且人類將很難控制住局面。
還記得被賦予公民身份的機器人索菲亞說的那句預言嗎？「我會毀滅人類！」如果我們不未雨綢繆，提前謀劃，也許未來哪一天，索菲亞這句話將一語成讖。
如果說前幾次技術革命，頂多是人的手、腳等身體器官的延伸和替代，這次量子計算+人工智慧+基因科學則將成為人類自身的替代。
最直接的，是在越來越多的領域，人工智慧正在快速超越人類。這也意味著，大批的翻譯、記者、收銀員、助理、保安、司機、交易員、客服……都可能在不遠的未來，失去自己原來的工作。
對此，斯坦福教授卡普蘭做了一項統計，美國註冊在案的720個職業中，將有47%被人工智慧取代。
資料來源：新華網、中新網、人民網、中青網、環球網、環球在線等