量子和量子力學
「量子」一詞最初是德國物理學家普朗克1900年發明。量子不是一個基本粒子，不是和分子、原子一樣的概念。在微觀領域中,某些物理量的變化是以最小的單位躍進的,而不是連續的,量子是個數學概念，意思就是「離散變化的最小單元」。
什麼叫「離散變化」？我們統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、1/3個人。我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階、1/3 個臺階。這些就是「離散變化」。對於統計人數來說，一個人就是一個量子。對於上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是「量子化」的。跟「離散變化」相對的叫做「連續變化」。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置，也可以走到1.1米的位置，也可以走到1.11米的位置，如此等等，中間任何一個距離都可以走到，這就是「連續變化」。
離散變化是微觀世界的一個本質特徵。微觀世界中的離散變化包括兩類，一類是物質組成的離散變化，一類是物理量的離散變化。發現離散變化是微觀世界的一個本質特徵後，科學家創立了一門準確描述微觀世界的物理學理論，就是「量子力學」。
量子計算與量子信息
量子力學出現一個世紀後，產生了量子力學與信息科學的交叉學科—量子信息。量子信息又分為量子計算和量子通信兩個分支。量子計算的應用方面有量子因數分解和量子搜索，量子通信在應用方面有量子密碼術和量子隱形傳態。
量子計算機VS經典計算機
量子計算領域的應用是量子計算機。量子計算機與傳統計算機在結構、比特、程序語言、算力、所解決的問題等方面都有很大區別。
結構不同：
經典計算機
量子計算機結構（以超導計算機為例）
比特vs量子比特， 底層硬體信息表達方式不同：
比特是計算機科學的基本概念，指的是一個體系有且僅有兩個可能的狀態，一般用「0」和「1」來表示。經典計算機使用電晶體的特性（類似於開關），其有兩種狀態，要麼開，要麼關。這個基本的一個單位，我們稱之為比特，這是經典計算機最底層硬體的信息表示方式。
量子比特利用量子力學中量子三個特點疊加、測量和糾纏，在疊加原理的框架下，基本狀態是「量子比特」。量子比特狀態下，體系的狀態不是只能取「0」或取「1」了，而是可以取任意的a|0> + b|1>狀態。從兩個選擇到無窮多個選擇，這是個巨大的擴展。一個量子比特包含比一個經典比特大得多的信息量。
我們可以做一個比喻：經典比特是「開關」，只有開和關兩個狀態（0和1），而量子比特是「旋鈕」，就像收音機上調頻的旋鈕那樣，有無窮多個狀態（所有的a|0>+ b|1>）。顯然，旋鈕的信息量比開關大得多。
程式語言不同
算力不同
經典計算機算力：
一個包含n個經典比特的體系，總共有2n個狀態。想知道一個函數在這個n比特體系上的效果，需要對這2n個狀態都計算一遍，總共要2n次操作。當n很大的時候，2n是一個巨大的數字。指數增長是一種極快的增長，比n的任何多項式都快。比如說，2n比n的10000次方增長得還要快。
在經典計算機科學中，把計算量指數增長的問題稱為「不可計算的」，把計算量多項式增長的問題稱為「可計算的」。不可計算的意思並不是計算機不能算，而是計算量增長得太快，很容易就達到「把全世界的計算機集中起來算幾十億年都無法得出結果」的程度。
量子計算機算力：
量子計算對n個量子比特的體系，卻有一個巧妙的辦法。使每個量子比特都處於自己的|+> =(|0> + |1>)/√2態，那麼整個體系的狀態就是|++…+> = (|00…0>+|00…1> + … + |11…1>) /2n/2。仔細看看你會發現，0和1的所有長度為n的組合都出現在其中，總共有2n項，剛好對應n個經典比特的2n個狀態。對這個疊加態做一次操作，得到的就是所有2n個結果的疊加態。量子比特的一次操作，就達到了經典比特2n次操作的效果！
解決的問題不同：
計算機，顧名思義，只能解決那些可以用數學公式描述表達的、可以計算的問題，那些不能用數學公式表達的問題，是不能通過計算機解決的，比如情緒情感問題。
經典計算機由於算力所限，有些問題是不可以計算的。量子計算機也不能計算所有的問題，只能計算那些可以用量子比特模擬、數學家已經研究出了量子算法公式的問題，比如質因數分解。
所謂因數分解，就是把一個合數分解成質因數的乘積，例如21 = 3 × 7。因數分解是數學中的經典難題。你也許會問，這有什麼難的？你當然不管三七二十一就能分解21，但請試試看分解267 -1 = 147,573,952,589,676,412,927。這是個18位數。1644年（明朝滅亡的那一年），法國數學家梅森（Marin Mersenne）提出它是一個質數。在那之後的很長時間裡，人們都這麼認為。直到1903年（清朝都快亡了），人們才發現它是一個合數，等於193,707,721 × 761,838,257,287。耗了一個朝代才解決這個問題。那你說，有了經典計算機，這樣的問題不在話下了吧？答案是：No。如果計算機一秒做1012次運算，那麼分解一個300位的數字需要15萬年，分解一個5000位的數字需要……50億年！地球的年齡也不過是46億年而已！量子計算機有望解決這個問題。
量子計算機的實際運用之一：解密碼
因數分解的一個特點：它的逆操作，即算出兩個質數的乘積，是非常容易的；而算出一個數的因數分解是很困難的。這種「易守難攻」的特性，使它在密碼學中得到了重要的應用。
因數分解的困難性，是現在世界上最常用的密碼系統「RSA」的基礎。RSA是一種「公開密鑰密碼體系」，它的密鑰（即加密時用到的參數）是對全世界所有人公開的。為什麼敢公開？因為這個密鑰是一個很大的合數，解密需要把它分解成兩個質數，而發布者有信心別人在正常的時間內解不開。
如前所述，量子計算相對於經典計算有潛在的巨大優勢，只是實現這種優勢需要聰明的算法設計，只有對少數問題能夠設計出這樣的算法。而因數分解，就是這樣的問題之一。1994年，肖爾（Peter Shor）發明了一種量子算法，把因數分解的計算量減少到了多項式級別，也就是從不可計算變成了可計算。
這又是個什麼概念呢？同樣還是分解300位和5000位的數字，量子算法會把所需時間從15萬年減到不足1秒鐘，從50億年減到2分鐘！對RSA密碼系統來說，這不是「隱」患，而是「明」患！
看起來，全世界的密碼人員都應該陷入恐慌了。但事實上還沒有，人們仍然在用著RSA。為什麼呢？因數分解的量子算法只是理論，真要實現它還是非常困難的，造出有實用價值的量子計算機還需要很多努力。
第一次真正用量子算法分解質因數是在2007年實現的，把15分解成3 × 5。有兩個研究組同時做出了這個實驗，一個是中國科學技術大學的潘建偉和陸朝陽等人，一個是澳大利亞布裡斯班大學的A. G. White和B. P. Lanyon等人。此後各國科學家不斷努力，把這個領域推向前進。目前在實驗上分解的最大的數是291，311 = 523 × 557，是由中國科學技術大學的杜江峰和彭新華等人在2017年實現的。
美國谷歌懸鈴木VS 中國九章
造出專門處理某些任務的「專用」的量子計算機比造出「通用」的量子計算機要容易得多。對於量子計算機的新聞，千萬不要問「計算能力跟我的電腦比起來怎麼樣」或者「打遊戲會卡嗎」，而是要問「它針對的是哪個數學問題，把計算量從什麼改進到了什麼」。
谷歌懸鈴木計算機
量子計算領域的裡程碑事件：谷歌在被稱為「量子優越性」（也稱為子霸權）方向上的重大突破研究，登上了《自然》雜誌 150 周年版的封面。谷歌利用一臺 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。在世界第一超級計算機需要計算 1 萬年的實驗中，量子計算機只用了 3 分 20 秒。
谷歌 CEO 桑達爾·皮查伊和聖芭芭拉實驗室中谷歌的量子計算機
谷歌 Sycamore 量子處理器
量子優越性實驗是在一個名為 Sycamore 的 54 量子比特的完全可編程處理器上運行的。該處理器包含一個二維網格，網格中的每個量子比特與其他四個相連。所以，晶片具有足夠的連通性，量子比特狀態可以在整個處理器中快速地進行交互，使得完整狀態無法使用經典計算機進行有效地模擬。
Google、IBM 和 Rigetti 採用的量子比特都由 超導金屬刻蝕而成的 微納諧振電路構成。
懸鈴木Sycamore 是完全可編程的，可以運行通用量子算法的量子計算機。懸鈴木模擬的問題是隨機數發生器抽出的數字確實是真正隨機的。
對於懸鈴木的質疑
量子計算賽道另一位「重量級選手」IBM卻對此提出質疑。IBM研究人員約翰·岡納爾斯等人在阿奇夫論文預印本網站上貼出一篇論文，承認谷歌的實驗非常好地展示了基於超導的量子計算領域進展，但認為，谷歌的量子計算機與現有超級計算機之間的差距並沒有那麼大，不應被視為實現了「量子霸權」。
他們認為，谷歌在用傳統計算機模擬時優化水平不夠，按IBM的計算，現有最好的超級計算機只需要2.5天就能完成前述計算任務，甚至還可能更快。
對於懸鈴木的另一項質疑是：它實現量子優越性的方式存在依賴樣本數量的技術漏洞。即同樣的問題，在一定數目範圍內，它能算的比經典計算機快，超過了一定的數目，它算的不比經典計算機快。
中國九章量子計算機
量子計算機需要用某種物理體系來實現，電子計算機可以用電子管實現，也可以用電晶體實現，光量子計算機就是用光子作為量子比特的量子計算機，利用光子的路徑、偏振、角動量來模擬數學變量。
2020年12月4日，12月4日，國際學術期刊《科學》發表了一項成果：中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。
實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」需200秒，而目前世界最快的超級計算機「富嶽」需6億年。等效來看，「九章」的計算速度比「懸鈴木」快100億倍，並彌補了「懸鈴木」依賴樣本數量的技術漏洞。
這一突破使中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。
潘建偉團隊這次突破歷經20年，主要攻克高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉三大技術難題。
「比如說，我們每次喝下一口水很容易，但每次喝下一個水分子很困難。」潘建偉說，光子源要保證每次只放出1個光子，且每個光子一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要在10的負9次方以內，相當於100公裡距離的傳輸誤差不能超過一根頭髮直徑。
與通用計算機相比，「九章」還只是「單項冠軍」。但其超強算力，在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。
「九章」輸出量子態空間規模達到了10^30，「懸鈴木」輸出量子態空間規模是10^16，目前全世界的存儲容量是10^22。
量子計算機玩家
IBM、微軟、英特爾等歐美科技企業也通過不同技術路徑不斷實現對更多量子比特的操縱。
據美國《科學》雜誌網站15日報導，IBM公司近日公布了其量子計算機發展路線圖，其中包括到2023年建造一臺包含1000個量子比特的量子計算機。據悉，IBM目前最先進的量子計算機僅包含65個量子比特。
IBM的新計劃還包括在2021年和2022年分別建成包含127個和433個量子比特的中型量子計算機，並計劃未來某一天創建出包含100萬個量子比特的量子計算機。IBM研究總監達裡奧·吉爾表示，他對自己的團隊能夠按時圓滿完成計劃充滿信心。
2020年4月，谷歌量子人工智慧實驗室主任哈特穆特·奈文在一次採訪中表示，谷歌計劃在10年內建造一臺容納100萬個量子比特的量子計算機，不過，他拒絕透露具體的日程表。
中國的華為、阿里、騰訊等公司在量子領域投入了研究。
在量子研究領域，美國戰略齊備，多方位支撐；歐洲雙層發力，多輪化驅動；日本突出重點，分階段推進；新加坡與澳大利亞：半官方指導，多維度規劃。
在資本市場，量子計算機研發相關單位開始獲得融資，中國量子計算機廠商本源量子獲數億元A輪融資。
量子計算機在化學方面應用：
2020年8月，Google量子計算再次重大突破，首次模擬化學反應，可用於開發新化學物質 。為了完成這項最新成果，研究人員使用 Sycamore 處理器，模擬了一個由兩個氮原子和兩個氫原子組成的二氮烯分子的異構化反應。最終，量子模擬與研究人員在經典計算機上進行的模擬一致，驗證了他們的工作。
墨子通信衛星
量子信息的一個應用「量子密碼術」，也稱為「量子保密通信」或者「量子密鑰分發」。在密碼界，有一個香農定理，香農定理認為如果一個密碼滿足了密鑰隨機、長度不低於明文、一次一密這三個條件，密碼就是不可破譯的。量子密碼術滿足了這三個要求，用量子密鑰加密後的密文是不可破譯的。
量子保密通信的全過程包括兩步。第一步是密鑰的產生，這一步用到量子力學的特性，需要特別的方案和設備。第二步是密文的傳輸，這一步就是普通的通信，可以利用任何現成的通信方式和設施。量子保密通信所有的奇妙之處都在第一步上，所以它又被叫做「量子密鑰分發」，這是業內人士常用的一個技術性的名稱。
量子密碼術的安全性表現在四個方面：一，如果成功生成了密鑰，那麼密文即使被截獲了也不會被破譯；二，不需要傳遞密鑰的信使；三，不會被計算技術的進步破解；四，如果在密鑰生成過程中有人竊聽，那麼會被通信方發現，仍然不會洩密。這幾點是量子密碼術的本質特點。
量子密碼術是目前所知唯一的既不需要信使、也不懼怕算法進步的保密方法，更是唯一的能發現竊聽的保密方法。
量子密碼術BB84協議要求A每次只發一個光子。量子密碼術之所以要用單光子，回顧一下 「量子」的概念就能理解，單個光子已經是最小的單元了，竊聽者無法只偷一部分。所以量子密碼無法被偷聽，一旦被竊聽，就會被密碼使用者察覺。傳統的密碼術，如果竊聽者破解了密碼，密碼使用者是不知道的。二戰中，聯軍破解了德軍密碼，但一直沒有公布，繼續截獲了德軍大量情報。
但實際的單光子光源效率很低，用它會導致成碼率非常低，比如說幾百年才能生成一個字節的密鑰。絕大多數實驗用的是效率高的雷射光源，但雷射不是嚴格的單光子，有一定的機率在一個脈衝中出現多個光子，這就給竊聽者留下了可乘之機。
實驗條件的種種不完美之處，會給量子密碼術的安全傳輸距離設置一個上限，超過這個距離就可能洩密。首次量子通信在實驗室誕生，量子信息傳輸了32釐米。後來逐步提高，但由於實驗光源雷射不是單光子的問題，安全傳輸距離無法提高到20公裡以上。2003-2005年，韓國科學家黃元瑛（Hwang W. Y.）和中國科學家王向斌、羅開廣等人想出了一種巧妙的辦法，就是前面提到的「誘騙態協議」。雷射光源發射的光子數有一定的分布，發射許多光脈衝就相當於發射一些單光子脈衝、一些多光子脈衝和一些零光子脈衝（也就是沒發）。在脈衝的平均光子數小於1時，誘騙態方法可以使得實驗等效於只用單光子脈衝。對於量子密碼術的安全性而言，這相當於把實際的不完美的光源變成了完美的單光子源。
克服了這個重要障礙以後，量子密碼術的安全傳輸距離開始迅猛增長，不斷刷新紀錄。自那以來，大多數紀錄都是中國科學技術大學的實驗團隊創造的。
2016年8月16日，墨子號量子衛星上天時，光纖中的安全傳輸距離已經超過了200公裡。2016年11月，中國科學技術大學、清華大學、中科院上海微系統與信息技術研究所、濟南量子技術研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公裡，而且在102公裡處的安全成碼率已經足以保證安全的語音通話。也就是說，間隔102公裡的量子保密電話已經是在技術上可行的了。幾百公裡的範圍，對於一個城市內部的通信來說是夠用了，我國確實在合肥、蕪湖、北京、上海、濟南等地建設了實驗性的量子政務網。但對於城市之間、國家之間甚至大洲之間的通信，幾百公裡的距離遠遠不夠。
一條技術路線是直截了當容易想到的，每隔一兩百公裡加一個中繼器。中國建設了量子保密通信「京滬幹線」，京滬幹線實際做的事情，就是在北京、濟南、合肥、上海的內部量子網絡的基礎上，通過幾十個中繼節點把它們連接起來。這樣，就可以在兩千公裡的範圍內，實現量子保密通信。
另一條技術路線：用衛星作中繼器。用衛星作中繼器，優點是顯而易見的：比如說衛星這個時刻在中國上空，下個時刻在歐洲上空，那麼就可以實現中國和歐洲之間的量子保密通信。將來建成20顆衛星的星座，就可以覆蓋全球。
但困難也是顯而易見的：以前光子的傳輸都通過光纖，現在什麼介質都不用，而且一個光脈衝只能發一個光子，這樣的「自由空間傳輸」能收到信號嗎？還有，衛星跟地面處於高速的相對運動之中，把雙方的探測器對準，是天地之間的「針尖對麥芒」，精度相當於「在五十公裡以外把一枚一角硬幣扔進一列全速行駛的高鐵上的一個礦泉水瓶裡」。墨子號量子科學實驗衛星就是做這件事的，而且做成了。墨子號是世界第一顆量子科學實驗衛星，科學目標包括三大實驗，即星地之間的量子密鑰分發、量子隱形傳態和量子糾纏分發。
2017年6月，中國科學技術大學潘建偉、彭承志等人在《科學》雜誌上發表文章，宣布在國際上率先實現了千公裡級的星地雙向量子糾纏分發，並以此為基礎對量子力學的基本原理進行了實驗檢驗（檢驗的結果，自然是「量子力學還是對的」）。2017年8月，他們又在《自然》雜誌上發表文章，在國際上首次實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。至此，墨子號的三大科學目標提前並圓滿實現。
「墨子號」牽手「京滬幹線」，中國科學技術大學潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中科院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作，構建了全球首個星地量子通信網。經過兩年多穩定性、安全性測試，實現了跨越4600公裡的多用戶量子密鑰分發。
整個網絡覆蓋中國四省三市32個節點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網，通過位於河北和新疆的兩個衛星地面站與「墨子號」相連，總距離4600公裡，目前已接入金融、電力、政務等行業的150多家用戶。
2021年1月6號《自然》發布了最新研究成果。
墨子通信衛星和九章計算機對於未來的意義
世界上即將誕生量子通訊網絡，這對於需要高度保密的軍事、商業等領域有很大的實用價值。使用量子保密術的密碼無法被破譯。而一旦量子計算機研製成熟，傳統密碼就會立刻失效，你硬碟裡面的比特幣的價值瞬間就會變化。
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