世紀之光——量子計算機

量子，作為一個超級話題，如果在吹牛逼的時候帶上兩句，會立馬讓人瞬間高大上起來！這個話題不但是民科超級喜歡吹，就連官方也是超愛的話題；什麼中科院的量子信息重點實驗室實現在固態系統中對三維量子交纏態實現量子存儲，也就是「量子U盤」；美國大學研發的抗幹擾的「量子雷達」；德國開發在磁場下實現的「量子傳感器」；俄羅斯量子中心測試的「量子區塊鏈」系統；就連谷歌也開發出了72量子比特通用「量子計算機」、、、等等一系列成果。是不是感覺量子世界立馬就要來了，是不？

量子力學在世界上不一般的火熱啊，咱今天就來講講量子力學，先開始重新認識一下量子力學臺前幕後的英雄。

百年量子

19世紀末物理學在技術層面被壓榨的差不多了，還好在20世紀初期誕生了相對論跟量子力學。相對論直到今天還是在原地踏步，在宇宙宏觀用的較多，對人類產生實際的效益卻不多。人類從20世紀到現在主要消耗的還是以量子力學為主，而且消化的方式比較的單一：量子力學——材料學——應用技術。

量子力學主要以「新材料」推動著社會技術的發展，最成功的例子就是半導體領域的計算機，現在的材料學、物理學、核物理學、化學的理論基礎還都是量子力學，從這也可見貢獻之大。但是呢，量子理論卻很少拿來直接使用，不然我們的生活會更精彩：瞬移、穿牆這些都不是夢。

如果說，人類的自然規律是一部恢弘巨製的戰爭史話，那麼理論物理就是正面戰場。從20世紀中期開始，人類在物理學基礎上的研究可以說是寸步未行，還是在啃以前的老本！換句話說，理論物理已經在原地踏步快半個世紀了，什麼上帝粒子、引力波都是上個世紀的物理研究成果。

所以呢，現在留給後人的路就只剩下兩條:要麼硬剛相對論，在上面踩條路出來。要麼就只能在相對論上開闢第二戰場，也就是通過「非材料學」的方式開發量子力學，也就是實現現在很火的「量子技術」。而後者已經研究半個世紀了，顯然更靠譜一下不是，畢竟量子力學還是有些成功的例子可以做參考的嘛，比如原子鐘、對撞機等。量子計算機、量子通訊技術的實現，正是量子技術領域實現的第二戰場，但這並不是人類在與自然競爭中的突破，相反，這一切是人類對現存理論物理的最後一點應用開發了。

現在該說正題了，傳統計算機的一次運算，究竟幹了啥？

傳統計算機的1和0是用電流實現的，有電流代表1，沒電流代表0。所謂的運算，就是把一堆的0和1，變成另外一堆的1和0。而這個轉變的過程是由一堆的PN結組成的電路實現的，也就是處理器。

而我們經常說的32位處理器和64位處理器，指的是一次能處理的最大位數。32位的處理器就只能一次將一組32個1和0變成另外一組32個0和1；如果有10組，那就得處理10次。如果是64位的，那就處理5次就行了。當然啦，這個解釋很勉強，將就看一下啦。

不過別跟計算性能啥的搞混了，計算機一般用「浮點運算」表示性能，和計算機運算是兩回事，一個是看誰跑的快，一個是看誰跑的步數多。

雖然處理器動不動就是每秒運行多少多少次，但是呢，實際上也幹不了多少事，因為要成堆成堆的處理0和1。現在的處理器就像是一臺大功率的抽水機，面對汪洋大海一般的數據，還是顯得那麼力不從心。

現在提出的解決思路呢也有，兩條：

第一呢就是改變表示數據的方法，不只是用0和1來表示，從而將汪洋大海變成一個湖泊甚至是一條河流，減少相應的數據總量。這個呢就是屬於數學的範疇，咱們還是留給將來的數學天才把。

第二個呢就是不用電流來實現1和0，這個還是能實現的，比如機械硬碟裡的1、0是用磁針的方向來實現的，不過控制磁針的方向遠不如控制電流的來的方便，所以，在硬碟拷貝的時候，處理器就可以幹點其他的事了。那麼就得找到更好的物理現象來實現0和1了，使處理器的性能速度更快，爭取一口氣把大海抽乾，那就需要我們的主角了、、、

量子計算原理

有請我們的開山鼻祖閃亮登場：費曼，這可是一個神一般的存在。他說，這個世界是量子的，那研究世界最終還得靠量子的方法，於是他老人家提出了量子計算機的概念。

量子通信是量子交纏的直接應用，而量子計算機是量子疊加態的直接應用。那麼什麼是疊加態呢？

馬上有人會說不就是「薛丁格的貓」嘛，額，有點相似。疊加態這玩意就跟眼神一樣，一個眼神可以表示愛，也可以表示恨，或者是兩者都包含在其中；更重要的是，這愛和恨還不互相干擾，也就是說看到愛的人看不到恨，看到恨的人看不到愛！

比如，上司一個眼神飛過來，有的人呢感受到愛，也有的人呢感受到恨，於是這兩個人把自己的感受用眼神飛給下一個人，最後一個人得到最後的計算結果。

如果是傳統的計算機，就得對一個人說我愛你，對另外一個人說我恨你，得發兩次信息，這效率就有點低了。

這個傳統的計算機只能把一組一組數據塞到處理器裡，而量子計算機是把一堆的數據疊加在一起，一次性打包塞進去。這就是量子計算機最主要的功能：並行計算！

這個方式還是有計算公式進行表達的，不然有人會說我是滿嘴放炮——瞎開車,

Ψ〉=α｜0〉+β｜0〉 ｜α²｜+｜β²｜=1

這個疊加態用來描述信息，1個量子態可以包含2個信息，2個量子態就是4個信息，3個量子態就是8個信息了，知道有多恐怖了把，傳統的32位處理器只能一次處理32個信息，這10個量子態就是1024個信息了，在往上加一加，就可以超過超級計算機了，如果在翻10倍，100個量子態，那全世界的計算能力總和瞬間被秒了。

至於粒子為啥有可以進行疊加，為什麼會有疊加態這麼一個buff？那麼答案只有一個：呵呵噠。

現在基礎有了，就該開始蓋樓了把，那麼用什麼技術去實現呢？這個疊加態的信息怎麼進行運算呢？運算後又用什麼樣的方式進行表達呢？怎麼樣才能做到完美輸出呢？這個就需要很深的量子力學功底了，咱也不去深究了，不然就真的是量子力學——不自量力！！！

中國量子

目前我國研究最前列的還是以中科大的潘建偉教授，他研究的光量子計算機在國際上也是數一數二的存在，畢竟國際上就兩家：中國和美國。潘老師呢首先是量子通信專家，其次才是量子計算機專家，所以用光子的偏振方向代表0和1.

這個光子量子計算機首先有單光子源，這傢伙每次就產生一個光子，一個光子被單格晶體劈成兩瓣，就變成了相互交纏的兩個光子，如果在多劈幾次的話就可以變成多個交纏光子，然後分成多路進入光學量子網絡，接著就進入到這個量子矩陣匯中，對這個光量子進行操作，最後由單光子探測器得出最後的量子計算結果。

這個光子被劈的越多，對整個系統的要求就越高，目前潘建偉團隊最多可以劈出5個交纏光子，運算的性能也超越了人類第一臺計算機。

不過這個的說一聲，這個光量子計算我國是走在了世界的前列，但要是說這個量子計算機還是為時過早，甚至連手機性能都比它強，只能說這個量子計算的路算是可以走了。

中國的量子計算機形狀，是不是感覺特魔幻，跟世界上第一臺計算機樣，不是一般的大，那麼能不能在進行壓縮呢？

歐洲離子阱量子計算機

不過相對不聽話的電子，離子的個頭不但大，而且還好控制多了，量子邏輯也更容易操控，所以現在離子阱量子計算機就是最先提出的量子計算機概念了。

把原子外面的電子打掉就可以獲得離子了，再用低溫把離子控制起來，用他的能級來表示1和0。測量能級是有相當成熟的技術，去看光譜就行了，而且只要用雷射去照射離子就可以當邏輯門來使用，從而實現1和0的轉化，完成相應的邏輯運算。

但是呢，這個還是有天花板的，這幾個離子好控制，如果數量一上去就完蛋了，沒法由數變引發質變，而且這個雷射照射的效率不是一般的慘，問題一大堆。這個主要還是歐洲的奧地利科學家在玩。

這套離子阱量子計算機也是超級魔幻啊。

超導量子計算機

用光子來做量子計算機的優點很強，缺點呢也是很明顯的，光子這玩意太難捉摸了，轉瞬間就飛了，沒法做更細緻的操作，普遍認為可延展性還是不夠高，現階段理論上做到10個量子態就已經超神了。

超導量子系統相對其他的量子系統，這傢伙的可操作性與可延展性是屬於秒殺的存在，在量子學界是公認最有可能實現大規模集成的量子晶片，這傢伙可以輕鬆的做到幾百個量子比特。同樣的，有明顯的優點就會有明顯的缺點。

超導量子計算的核心首先就需要超導，這東西的核心單元是以「超導體—絕緣體—超導體」三層結構構成的。這個電子在超導的情況下有一定的可能性會完成跨越，用一個超導體穿過絕緣體跳到另一個超導體上，這種電子的自由度不是一般的高，不是很聽話，所以這個計算準確率是相當的感人。

嗯，這超導量子計算機處理器長這樣，咱們看看就好，深究下去就算了，沒那實力。

其實在微觀世界中量子效應是一抓一大把，所以實驗的方式還有：固態核磁共振、中性原子、半導體量子、腔量子電動力學等等，玩家呢也大多集中在中美歐。

量子計算機現狀

雖然這個媒體是不遺餘力的誇讚，但是這個業界內的爭議卻一直沒有停過，悲觀的認為這就是在譁眾取寵，搞了半個世紀了，連點像樣的進步都沒有；而樂觀的卻認為，改變世界的機會就在眼前，馬上就可以進入一個新的紀元。那麼，他們爭論的核心到底是什麼呢？

好了，前面講的還是只是開胃菜，下面就該開始上正席了。

傳統的計算機是靠邏輯門完成運算的，同樣，量子計算機要完成運算也需要考邏輯門。也就是說，量子要通過么正變換來實現量子比特從一個狀態轉換成另一個狀態。更複雜點說，量子邏輯門，就是量子力學中的么正算符，么正算符作用到量子狀態上，使量子態按照要求進行運算。

那麼這玄幻的傢伙，到底是個什麼樣子呢？不好意思，你問也得不到答案，大家都是一頭的霧水。簡單的說，現階段的量子計算機可以都說是沒有邏輯可言的，全經驗來猜；更簡單的說，現階段的量子計算機沒法將1變成0、或者是0變成1。或者說，現階段的量子計算機壓根就沒法完成真正意義上的運算。是不是瞬間感覺就是扯淡？那我們還吹得這麼起勁幹啥？

別急，我們這個還是有救的。

在2013年美國有兩個超級計算機科學家提出了「玻色取樣」，通過針對經過線性器件處理的玻色子概率分部進行抽樣，可以很快的求得矩陣常值。那到底什麼意思呢？

無數的量子比特經過特定的矩陣後，分布的範圍是有一定的規律的，把這些數據進行統計就可以算到相應的矩陣常值了。

這個東西就是一個純數學問題，說多了更亂。這個還是交給未來的數學家把，咱們就知道這東西對人工智慧啥的有用處就行了，像機器學習啥的能用上就行了。

從學術上說，這並不是一臺真正意義上的計算機，於是呢，科學家就取了一個專有名詞「專用量子計算機」，也就是俗稱的量子模擬機。相對應的就是「通用量子計算機」，通用量子計算機有專門的量子邏輯門，能夠實現把1變成0，這才是真正的量子計算機。

可惜的是，前者商業化運行的是相當的不錯，而後者還在像烏龜一樣慢慢爬，絲毫不急.

既然這個量子計算機發展前景是這麼的誘人，那商業巨頭們不得還像鯊魚一樣，蜂擁而上啊。於是，就是我們現在看到的，現階段的量子是滿天飛。

專用量子計算機

最早進行量子計算的是加拿大的D波公司，2011年美國的洛克希德馬丁公司花費了1000萬美金買了D波公司的第一臺128量子比特的商業專用化量子計算機D-wave-one，2013年穀歌也出來湊熱鬧，花了1500萬美金買了第二代512量子比特的D-wave-two，現在的D波公司已經推出了2000個量子比特的量子計算機，不過呢，雖然這麼發達了，情況卻還是不一般的尷尬，都是打著量子計算機的擦邊球在發展。

2015年穀歌也加入量子計算機大軍，實現了9量子比特；2017年中國發布了10量子比特的超級量子計算機，緊接著IBM就說他們研究出了16量子比特的，馬上英特爾就表示研究出了17量子比特的；年底的時候IBM表示不服氣，直接幹到50量子比特了、、、這節湊不是一般的快啊，一年的時間就完成了半個世紀的路程。

IBM的量子計算機

英特爾的量子晶片

在這個領域，谷歌是在首位進行發展的，在2018年就說要推出72位的通用量子計算機，你沒聽錯，是「通用」的！！！谷歌想著一舉奪魁，實現量子霸權（意思就是說大家用我家的就行了，你們都沒必要發展了），後來谷歌發現這牛皮吹得有點大，又出來謙虛了一番。

谷歌72量子比特量子計算機—bristlecone，它長這樣

咱們就看個熱鬧就行了，這東西太玄乎了；2015年在美國的加州還有人首次發現，人腦認知也可能是一種量子效應，嗯，咱們的人腦也是一臺量子計算機！

現階段來說，美國在專用量子計算機領域進行研究還是挺不錯的，谷歌、IBM、英特爾屬於第一梯隊，後面跟著的是亞馬遜、高盛、微軟、惠普第二梯隊，甚至後面還有CIA跟跑。

相對國外，國內就冷清多了，目前除了國家在這個領域投錢，後面就只有阿里投資的「阿里巴巴量子計算聯合實驗室」，2018年還在線上實現了11量子比特超導量子計算服務的雲平臺。

這就是目前專用量子計算機的發展概況。

通用量子計算機

而真正能改變世界的通用量子計算機的發展情況卻舉步維艱，前程不是一般的遠大，發展的步伐卻寸步未移。

2018年，中國的郭光燦院士團隊在半導體量子晶片上面獲得了突破，在國際上首次實現了半導體體系中的3量子比特邏輯門操控，這為未來研發集成化半導體量子晶片打下了基礎；嗯，邏輯門操控屬於通用量子計算機的重點。

目前在我國，民間公認的「中國量子之父」是潘建偉教授；而我們持有官方認證「中國量子之父」卻是郭光燦院士，這個恐怕沒有幾個認識把，他是中國量子技術的開創者和奠基人，寶座的是妥妥的。而我們的潘建偉教授是郭光燦院士從奧地利挖回來的。

郭光燦院士在理論方面的研究也是相當的權威，他提出的「利用光腔製備兩原子交纏的方案」，被法國的科學家哈羅實驗驗證了，後者也獲得了諾貝爾物理學獎。在中國最有可能獲得諾貝爾物理學獎的名單上，郭光燦院士是熱門的人選。

現在，就讓我們把目光聚焦在未來的你身上把，說不定成功研究出通用量子計算機的就是你呢。