量子計算是什麼？為什麼突然變成熱門話題？看了本文就知道

最近，量子科技相關知識和行業進展，正在成為關注新熱點。

那麼量子計算究竟是什麼？原理如何？行業內有怎樣的代表性技術、公司和應用？最新的進展又如何？

先讓我們聊聊量子計算的由來吧！

自1981年費曼首次提出量子計算機概念之後，經過數十年的努力，各大科技巨頭企業將其實現了。而在2017年的時候，量子計算被麻省理工學院命名為一項突破性技術。今年，量子計算再次出現在該學院評出的2020年「十大突破性技術」名單上。

這是否意味著量子計算已經準備進入發展黃金時期了？有可能，這對全世界來說是個好消息，但問題是了解量子計算到底是有些什麼用處呢。

量子計算與傳統計算的對比

在傳統計算機中，比特（bit，計算機中數據的最小單位）的值可以是1或0。

在量子計算中，是利用量子態的演化進行計算，因此量子計算的基本單位的值可以同時是1，也同時是0，也可以是介於這二者之間的任何值。

在此量子的基本單位還有其他一些用途，但這種多個同時存在的值可以讓量子計算機運行得更快。一臺64比特的量子計算機可以計算出大約18的18次方個值。如果一臺傳統計算機每秒可以計算20億個值，那麼大約需要300年才能計算完這個數值。

歸根結底，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，兼具信息處理的功能。量子計算機是人類當前設想中最複雜、實現難度最大的量子機器，一旦建成對科學和社會的影響也最深遠。

量子計算機的作用

量子計算起源於好奇心驅動的思維遊戲，近二十年有了堅實的實驗進展，但它在短期內還將是一種基礎研究，沒有立即可操作的實際應用。

可從長遠來說，它將給現有的計算理論帶來深刻變革，將極大加深人類對物質與信息的理解，它將是一種前所未有的計算微觀世界的強大工具。

類比來說，量子計算機像是計算機中的火箭。火箭再強大，也不能取代飛機、動車、汽車、電動車，因為它們的根本用途不同。

同理，量子計算機價值的並不是取代經典計算機，甚至主要不在於加速傳統計算，而是在於一些經典計算機不能解決的特殊問題，比如複雜微觀系統的模擬。

量子計算並不是「後摩爾時代」的計算，它與傳統的計算是兩個不同的平行線、平行發展的領域，不可以相互替代。未來量子計算機的第一波應用也將是對科學的意義大於對商業，對科學家的意義大於對普通人。

所以，現在的程序猿們大可繼續安居樂業，不必在憂心被科技取代。

量子計算到底難在哪？進展到什麼地步了？

對經典計算機來說，數據輸出是很直接的——按高、低電平區分二進位數就好。

然而，量子計算的過程一般只涉及幾個基本能量量子，比如一次電路量子電動力學色散讀出 (dispersive readout) 一般只用5到10個微波光子，如此微弱的信號如何測量？

要知道，世界上最好的半導體微波放大器（液氦溫度下工作的高電子遷移率電晶體 HEMT）放大一個光子大概要添20個光子的噪聲。

另外，單量子水平的測量一般都要改變粒子的量子態，甚至直接毀滅粒子（比如光電倍增管的原理就是通過光電效應將入射光子轉化為電流並放大，但測量之後被測光子直接被吸收）。

總之，想從量子系統中高效地讀出信息是件非常困難的事。

對量子計算來說，最理想的測量是 single-shot 量子非破壞測量 (quantum non-demolition measurement)——測量不毀滅被測粒子、第一次測量後粒子狀態不再改變、每次測量結果都可分辨。

對於離子阱和金剛石色心，這可以通過雷射螢光 (laser-induced fluorescence)實現。但超導人造原子只有微波躍遷，且微波光子的能量只有光學光子的十萬分之一。

2010年後，這個問題終於由電路量子電動力學色散讀出加量子極限放大器 (quantum limited amplifier)解決——後者是也是一類極低溫下工作的超導電路，放大一個光子只添一個光子的噪聲，這是量子漲落導致的海森堡極限。

對量子極限放大器的發明貢獻最大的是耶魯大學 Michel Devoret 實驗室和伯克利加州大學 Irfan Siddiqi 實驗室。這讓超導量子電路成為第一個站上臺階圖第三層的人造系統。

第四層困難就更大了，原因還是量子測量——理論構想中，我們總希望人是量子計算機的唯一觀察者。

量子的市場及未來？

量子計算真正的進入市場商業是從2014年開始——Google 買下了 John Martinis 在聖芭芭拉加州大學的實驗室及全員，成為「 Google 量子人工智慧實驗室」的一部分，並立刻給這群低調的科學家配上了強大的宣傳團隊。各家 IT 巨頭紛紛坐不住了，各種專營量子計算的創業公司也開始出現。

目前，各種參與量子計算的商業公司主要分四類：

第一類是IT 或工業巨頭，其中 IBM 和微軟上場遠比 Google 早。IBM 十多年前就在 Waston 研究中心建立了以耶魯畢業生和博士後為骨幹的、頗具規模的超導量子計算實驗室和理論組。IBM 的量子實驗室曾經專注於紮實的基礎研究，領取政府經費，與大學實驗室無異；直到幾年前才開啟商業競爭模式。

微軟很早就在聖芭芭拉加州大學內建立了 Station Q，專注於「拓撲量子計算」理論，也曾是完全的學術導向。這兩年微軟在荷蘭 Delft 理工學院、丹麥哥本哈根大學、澳大利亞雪梨大學、美國馬裡蘭大學、普渡大學、Redmond 總部都新建了 Station Q；最重要的是，把這一領域最有影響力的兩位實驗物理學家 Leo Kouwenhoven 和 Charles Marcus 收入麾下。

Intel 2015年起也不甘落後，並且兵分兩路，在 Delft 理工學院與 Leonardo DiCarlo 實驗室（前耶魯博士後）合作發展超導量子電路，同時與 Lieven Vandersypen 實驗室合作發展矽量子點。

通用汽車公司與波音公司聯合所有的 Hughes Research Laboratories (HRL) 也已經在半導體量子點方向投入多年。

……

第二類是大學教授兼職創辦的新公司，支持與轉化自己學術實驗室的成果。

2015年底，耶魯超導量子計算實驗室的領導者——Robert Schoelkopf 和 Michel Devoret 與研究員 Luigi Frunzio 創辦 Quantum Circuits, Inc.，2017年11月完成 A 輪1800萬美元融資。

2016年，馬裡蘭大學實驗物理學家 Christopher Monroe 與杜克大學電子學家 Jungsang Kim 創辦主攻離子阱的 IonQ, Inc.，2017年7月完成 B 輪2000萬美元融資。

2018年初，因斯布魯克大學實驗物理學家 Rainer Blatt、Thomas Monz 與理論物理學家 Peter Zoller 在政府和大學的支持下創辦離子阱公司 Alpine Quantum Technologies，也已得到1200萬美元經費。

……

第三類是自主創業、有完整硬體實驗室的新公司。其中最有名的是位於加州伯克利的 Rigetti Computing，由耶魯博士畢業的 Chad Rigetti 在2013年創辦，現在融資已接近7000萬美元，員工近百人。

第四類只做周邊軟體產品。這樣的公司這兩年出現了很多。

中國的量子計算

相比於歐美國家的科研情況，我們國家的量子計算是處於十分初級的狀態。

為什麼？

首先因為量子計算不是一個憑空出現的學科。中國在量子計算方面就要落後的多。

全世界頂級的量子計算實驗室本來就很少，其中的中國人更少，不少實驗室甚至從不招收未在歐美受過訓練的中國學生（主要是出於對中國學生動手實驗能力的不信任，不是什麼涉密問題）。直到這幾年才開始有訓練有素的年輕科學家回到中國。

所以說，專業的量子計算實驗室在中國只是剛剛落地出現，經驗積累、合作者水平、學生水平都比世界頂級組差一大截，當前的主要任務是訓練團隊和基本技術，模仿、追蹤世界前沿，暫時不具備做出重大成果甚至引領方向的能力。這是所有後來者都必須經過的起步階段，是最最正常不過的。

最後

量子計算機究竟能做什麼？破密碼、做優化、加速機器學習...... 這些還都很不確定，在短期內也很難實現。那還費勁做這東西幹嘛？

小編覺得，量子計算的研究過程將是人類物質科學和工程的一次本質進步。