今年諾貝爾物理獎?dòng)嘘P(guān)“量子計算”，阿里、谷歌、微軟、IBM等國際巨頭公司都突然加速進(jìn)軍這一原本屬于“自然科學(xué)”研究的領(lǐng)域。百年量子理論風(fēng)云沉淀，一朝爆發(fā)，“量子比特”何時(shí)統治世界？

幾天前揭曉的諾貝爾物理學(xué)獎，頒給了美國普林斯頓大學(xué)和布朗大學(xué)的兩名學(xué)者，他們在20世紀70、80年代把拓撲（Topology）這個(gè)數學(xué)概念引入物理學(xué)，做了“物質(zhì)拓撲相與拓撲相轉變”方面的理論研究，簡(jiǎn)言之就是研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)。諾貝爾組委會(huì )把電子學(xué)和超導體領(lǐng)域的發(fā)展歸功于他們，并稱(chēng)“或將有助于未來(lái)量子計算機的發(fā)展”。

今年在整個(gè)前沿技術(shù)領(lǐng)域，“量子計算”出現的頻率都特別高，這個(gè)過(guò)去僅在學(xué)術(shù)圈討論的話(huà)題，開(kāi)始頻頻進(jìn)入企業(yè)圈，阿里巴巴就是最早宣稱(chēng)要進(jìn)入“量子研究”領(lǐng)域的中國公司。而這并不偶然，自動(dòng)汽車(chē)、自動(dòng)駕駛、腦機交互、自然語(yǔ)言處理乃至線(xiàn)上廣告、搜索引擎、推薦系統等都是機器學(xué)習的熱門(mén)領(lǐng)域，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)的話(huà)，我們可以毫不夸張地說(shuō)，量子計算實(shí)際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來(lái)的發(fā)展方向和趨勢。

什么是量子計算，以及它的革命性在哪里？作為一直最具“技術(shù)信仰”的媒體，鈦媒體「特稿組」歷時(shí)數月，深度訪(fǎng)問(wèn)國內外多位“量子計算”領(lǐng)域權威，也經(jīng)過(guò)認真研究和梳理，將這世紀級的問(wèn)題說(shuō)一說(shuō)：

2016年8月16日，北京時(shí)間凌晨1時(shí)40分。

中國的長(cháng)征號系列火箭在酒泉衛星發(fā)射中心剛剛成功完成了它的第234次發(fā)射任務(wù)，這一次，它搭載的是“墨子號”量子實(shí)驗科學(xué)衛星（QUESS，Quantum Experiments at Space Scale），這是世界上第一顆量子衛星，也是人類(lèi)首次通過(guò)衛星實(shí)現地球和外太空之間的通信。

《紐約時(shí)報》（The New York Times）這樣評價(jià)墨子號的意義：這是中國為爭取站在量子研究最前沿而邁出的重要一步。

此時(shí)，距離我國量子衛星正式立項也只過(guò)去了不到5年而已，距離潘建偉在2003年提出發(fā)射量子衛星僅僅過(guò)去了13年時(shí)間，距離潘建偉回到國內建立起了中國第一個(gè)操控光子的量子屬性的實(shí)驗室只有15年。

而查爾斯·本內特（Charles Bennett）和吉爾斯·巴撒德（Gilles Brassard）在1984年提出第一份量子密鑰分發(fā)協(xié)議——即BB84協(xié)議——以及1948年克勞德·香農（Claude Elwood Shannon）建立現代信息理論則是僅僅是幾十年前的時(shí)間。

如果說(shuō)香農用數學(xué)定義了信息的概念，那么 BB84協(xié)議向大家展示了量子理論應用到通信中的廣闊前景和巨大想象力，信息收發(fā)者通過(guò)量子頻道設定密鑰，而基于測不準原理，任何覬覦信息的竊聽(tīng)者都會(huì )破壞到數據使得收發(fā)雙方發(fā)現，這就保證了沒(méi)有任何人能夠在不被當事人發(fā)現的情況下竊取信息。

這就是量子通信的基礎和最大優(yōu)勢，利用量子頻道的超高安全性和信息容量、傳輸速度上的優(yōu)勢來(lái)接發(fā)信息，這正是量子計算在現實(shí)世界中最具實(shí)踐場(chǎng)景、最具操作可行性的應用之一。

事實(shí)上，30多年前，費曼才提出量子計算機的設想，而直到100多年前，在解決黑體輻射問(wèn)題的過(guò)程中，普朗克發(fā)現了輻射量子化的現象，他假設能量只能在微小、各異、相互遠離的能量包中進(jìn)行釋放或吸收，才第一次提出了“量子”的概念。在此基礎上經(jīng)過(guò)后續半個(gè)多世紀的發(fā)展，量子理論發(fā)揚光大，它與經(jīng)典物理理論有著(zhù)5個(gè)顯著(zhù)不同的特性：

非決定論（indeterminism）

在牛頓體系中，只要知道觀(guān)測對象的初始位置和速度，就能預測它的軌跡，然而，在量子理論中，唯一能預測的只有可能性。

量子干涉（interference）

在波理論中，當兩個(gè)相干（coherent）的波源疊加時(shí)變產(chǎn)生干涉，而在量子理論中，即使單粒子也能顯示出這樣的特性，因此，量子干涉使得波粒二象性存在所有物質(zhì)之中。

測不準（uncertainty）

這是量子理論的核心，亦即我們無(wú)法同時(shí)了解到量子的位置和動(dòng)量，而一旦對例子進(jìn)行測量，則又會(huì )失去這些信息。

量子疊加（superposition）

一個(gè)量子可以同時(shí)處于兩種允許狀態(tài)的線(xiàn)性疊加狀態(tài)，這意味著(zhù)一個(gè)量子可以同時(shí)處于這里或那里，在與外部環(huán)境發(fā)生關(guān)系的過(guò)程中，量子極容易喪失這一特性，而疊加態(tài)又是量子計算和量子通信的核心目標。

量子糾纏（entanglement）

意指同時(shí)擁有多個(gè)量子的強量子關(guān)聯(lián)，1935年，愛(ài)因斯坦等人提出了 EPR 悖論來(lái)質(zhì)疑量子理論的完備性，并試圖以定域性隱變理論來(lái)替代量子理論，但是，1964年，貝爾不等式證明任何滿(mǎn)足 RPR 假設的兩個(gè)粒子經(jīng)典關(guān)聯(lián)必然在一定數量以下，而兩個(gè)糾纏態(tài)的量子并不符合此不等式，因此，量子糾纏無(wú)法用任何經(jīng)典關(guān)聯(lián)進(jìn)行解釋?zhuān)荒苁且环N罕有的量子世界現象。

在量子理論發(fā)展的100多年時(shí)間里，我們將會(huì )看到圍繞著(zhù)這些難以捉摸的現象和概念，那些在人類(lèi)歷史上數一數二的天才們殫精竭慮為捍衛自己的觀(guān)點(diǎn)而相互頡頏，而在二戰以后，量子理論的這些特性又是如何幫助現代的科學(xué)家們建立新的算法和應用、如何利用量子通信、量子計算機等量子計算去想象世界的另一種可能性。

在歷史上，從來(lái)沒(méi)有一個(gè)理論像量子力學(xué)這樣如此深遠地改變了世界的面貌，也從來(lái)沒(méi)有一門(mén)技術(shù)能像量子通信和量子計算這樣給予人類(lèi)的未來(lái)如此無(wú)盡的想象力。

直至1989年，蒂姆·伯納斯·李（Tim Berners-Lee）才提出了“萬(wàn)維網(wǎng)”（World Wide Web）的理念，因特網(wǎng)的最早雛形 ARPANET 在1969年就出現了，但直到1981年 CSNET 的建立以及次年 TCP/IP 協(xié)議的標準化，它才真正突飛猛進(jìn)地發(fā)展起來(lái)。

直到1994年，世界上第一臺嚴格意義上的智能手機才問(wèn)世，1993年時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)歷史上最原始的搜索引擎才誕生，而在1956年之前，甚至沒(méi)有人專(zhuān)門(mén)研究人工智能。

在橫跨過(guò)往3個(gè)世紀的時(shí)間里，量子計算的發(fā)展軌跡不只是關(guān)于科學(xué)和技術(shù)的歷史，不只是關(guān)于科學(xué)家的歷史，不只是歷史拼圖的一部分，從某種意義上來(lái)說(shuō)，反而是歷史本身的軌跡構成了它的發(fā)展和進(jìn)化。

“沒(méi)人懂得量子力學(xué)”

我可以斷言沒(méi)人懂量子力學(xué)。

——理查德·費曼（Richard Feynman）

普朗克提出“能量子” （Energieelement） 的概念，其后又將a此 表述修正為“量子”

在里面，普朗克提出了“能量子”（Energieelement）的概念，其后又將此表述修正為“量子”（Elementarquantum），在里面，普朗克提出了后來(lái)被普朗克常數的作用量子 h：

我們采取這種看法，認為 E 是由數目有限的相等部分組成的，因此我們應用了自然常量 ：

在這個(gè)新世紀元年的最后時(shí)間里，量子力學(xué)如驚雷一般倏忽現世，在看上去巍巍然的物理殿堂的角落暗暗埋下在日后一個(gè)世紀里將逐漸傾覆經(jīng)典物理世界體系的引信。

這一年，21歲的愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）剛剛在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院獲得了教師文憑，這時(shí)距離他寫(xiě)出重寫(xiě)物理歷史的論文還有5年的時(shí)間。

隨著(zhù)1905年討論光量子、確定原子存在、提出狹義相對論的4篇論文的發(fā)布，小小的專(zhuān)利局文員愛(ài)因斯坦一舉成為整個(gè)物理學(xué)界的焦點(diǎn)，次年，他將普朗克的量子假說(shuō)應用于固體比熱研究，到了1910年2月，沃爾瑟·能斯特（Walther Hermann Nernst）發(fā)布了自己的實(shí)驗結果，證明了愛(ài)因斯坦理論的正確。

1911年第一次索爾維會(huì )議上的與會(huì )者合影，拍攝于布魯塞爾的大都會(huì )酒店

1927年的索爾維會(huì )議集合了當時(shí)為止人類(lèi)歷史上最天才的物理學(xué)家。（ Photograph by Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay, Brussels, Belgium）

再3年之后，在第六次索爾維會(huì )議上，愛(ài)因斯坦首先用一個(gè)光子箱實(shí)驗來(lái)質(zhì)疑測不準定理，直到第二天，玻爾等人才找出愛(ài)因斯坦論點(diǎn)中的漏洞，有力地反擊了后者，使愛(ài)因斯坦不得承認測不準原理的合理性，事實(shí)上，這也意味著(zhù)愛(ài)因斯坦短暫承認了早在1927年的會(huì )議上玻恩、海森堡就一再強調的觀(guān)點(diǎn)，即量子力學(xué)是一種完備的理論。

終其一生，愛(ài)因斯坦始終對量子力學(xué)持懷疑態(tài)度。然而，就像愛(ài)因斯坦自己說(shuō)的那樣，他從來(lái)不相信上帝，在愛(ài)因斯坦心中，唯一能稱(chēng)得上宗教的只有對能夠被科學(xué)所解釋的世界結構的無(wú)限崇敬。

關(guān)于量子力學(xué)的爭論并沒(méi)有就此停止，在量子力學(xué)爭論如火如荼的同時(shí)，戰火也蔓延世界，戰爭在摧毀世界舊秩序的同時(shí)，也極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而量子計算的最初萌芽就發(fā)生在二戰里。

前奏：“如果你想模擬自然的話(huà)，那你最好去用量子力學(xué)”

19世紀的英帝國國力昌隆，在科學(xué)領(lǐng)域，英國同樣也群星璀璨，在麥克斯韋震古爍今的電磁理論醞釀?wù)Q生的同時(shí)，查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）也在不斷失敗的處境中嘗試著(zhù)完成差分機和分析機，盡管至死都沒(méi)有完成設備的組裝和完整運行，但是，這些能夠通過(guò)邏輯化的運作進(jìn)行復雜數學(xué)運算的設備雛形卻使得人們認識到通用計算機的可能性。

1936年，阿蘭·圖靈提出了現代計算機的概念。 （來(lái)源：NPL/Science Museum）

1936年，阿蘭·圖靈（Alan Turing）在論文《論數字計算在決斷難題中的應用》（On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem）里提出了現代計算機的概念，天才的圖靈是如此描述這樣的設備的：“發(fā)明一臺用來(lái)計算所有可計算數列的設備是完全可能的。”

1944年，世界上第一臺電子數字可編程計算機巨人（Colossus）在英國問(wèn)世，它的用途就是為了破解德軍通信密碼，在冷戰期間，為了掩蓋英國有能力破解洛倫茲密碼機（Lorenz Cipher）的事實(shí)，丘吉爾下令銷(xiāo)毀絕大部分巨人計算機。1946年，ENIAC在美國曝光，在戰時(shí)，這臺設備設計之初的主要目的就是來(lái)計算火炮射表，而它最早承擔的項目還包括計算熱核武器的可行性。

隨著(zhù)戰爭結束以及社會(huì )各行各業(yè)的復興需求，體積龐大但在運算上有著(zhù)驚人優(yōu)勢的計算機從戰爭期間的隱蔽戰線(xiàn)開(kāi)始越來(lái)越多地出現在民用和商業(yè)領(lǐng)域。

1951年，費朗替（Ferranti）公司為曼徹斯特大學(xué)開(kāi)發(fā)出了世界上第一臺商用計算機Ferranti Mark 1，同年，美國人口調查局采購了UNIVAC I，這是世界上第一臺被大規模制造的計算機，僅僅3年之后，IBM 推出了“相對”而言更小更便宜的計算機IBM 650 ，這臺設備凈重超過(guò)900千克，算上電力供應裝置之后則在1.35噸以上，售價(jià)高達50萬(wàn)美元或者每月租金為3500美元。

1947年，雙體性晶體管問(wèn)世，并逐漸取代真空管在以往計算機設計中的位置，1953年，世界上第一臺可運行的晶體管計算機在英國問(wèn)世，兩年后，另一臺包含200個(gè)晶體管、1300個(gè)固態(tài)二極管的晶體管計算機問(wèn)世。6年后，世界上第一個(gè)可運行的集成電路問(wèn)世。晶體管和集成電路的出現意味著(zhù)計算機有了更快的運行速度和更強大的計算能力。

數學(xué)上，算法是對函數進(jìn)行有效計算的方法，算法研究的一個(gè)重要的切入點(diǎn)是尋找可以有效計算的函數，這類(lèi)函數叫做遞歸函數。

1931年，哥德?tīng)枺↘urt Friedrich G?del）提出并證明了后來(lái)被統稱(chēng)為哥德?tīng)柌煌陚涠ɡ淼膬蓷l定理，而根據哥德?tīng)柌煌陚涠ɡ恚恍┖瘮翟跀祵W(xué)上是不能被算法計算的。

哥德?tīng)枌Α坝嬎恪保╟omputation）做出了清晰的定義，盡管在論文里這些定義看上去不盡相同，但它們最后都歸于同一類(lèi)可計算函數里。而邱奇-圖靈假想(Church-Turning thesis)做出這樣的判斷，任何在算法上可計算的函數都能被圖靈機計算。

計算機科學(xué)家把一個(gè)運行時(shí)間隨著(zhù)輸入大小而像多項式展開(kāi)那樣增長(cháng)的算法叫做“多項式時(shí)間”（polynomial-time），如果一個(gè)問(wèn)題用多項式時(shí)間就能解決的話(huà)，大家就把它稱(chēng)作復雜類(lèi)度為P的問(wèn)題——絕大多數P類(lèi)問(wèn)題都用有效的算法解決，然而，大多數不屬于P類(lèi)的問(wèn)題無(wú)論花多少時(shí)間也解決不了。

按照強邱奇－圖靈假想（Strong Church-Turing Thesis）進(jìn)一步推演的話(huà)，就是說(shuō)，如果在物理計算機上計算一個(gè)可計算函數的時(shí)間是 T 的話(huà)，那么在圖靈機上的時(shí)間則是O(Tc)，而這里的常數 c 僅僅由計算機使用的函數類(lèi)型決定。

隨著(zhù)數字計算機的出現，由于機器本身的容量和時(shí)間有限，這就使得可計算和不可計算之間的差別在計算機的實(shí)際應用上顯得越來(lái)越重要，皮特·休爾（Peter Williston Shor）這樣評價(jià)道，“如果所有計算機跑完一個(gè)可計算函數的時(shí)間里，太陽(yáng)都燃燒殆盡了，這在實(shí)用方面可一點(diǎn)都不好。”

于是，一種新的迥異于傳統算法的計算機呼之欲出。

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認為較好的一種方式，這是量子計算最早的火花。在10多年后，在愛(ài)德華·福萊德金（Edward Fredkin）的可逆計算理念的啟發(fā)下，費曼為大家開(kāi)辟了那條新路。

費曼相信，一臺基于量子力學(xué)現象的計算機在模仿量子力學(xué)現象上有著(zhù)近水樓臺先得月的先天優(yōu)勢

“自然不是經(jīng)典的，如果你想模擬自然的話(huà)，那你最好去用量子力學(xué)。”

在1982年發(fā)表的一篇論文中，諾貝爾獎得主費曼認為，在計算機上模擬量子力學(xué)內在地就需要指數級增長(cháng)的投入，而他給出的建議則是，使用量子計算機。費曼相信，一臺基于量子力學(xué)現象的計算機在模仿量子力學(xué)現象上有著(zhù)近水樓臺先得月的先天優(yōu)勢——早在1980年，保羅·貝尼奧夫（Paul Benioff）就在論文里提到了基于圖靈機制造微量子力學(xué)系統計算機模型的可能性。

1985年，牛津大學(xué)的大衛·道勅（David Deutsch）在一篇論文里給出了量子計算的抽象模型，但是，此時(shí)大家的疑問(wèn)還是，量子計算機究竟能解決哪些實(shí)際問(wèn)題。7年后，道勅和理查德·約饒（Richard Jozsa）在論文里給出了他們的肯定答案：

“比起任何基于確定性算法的經(jīng)典計算機，量子計算機在解決問(wèn)題上所花的時(shí)間要少得多；比起任何基于隨機算法的計算機的預期時(shí)間，量子計算機也相對更少。”

但是僅僅有量子計算機的設想還是遠遠不夠的，沒(méi)有算法支持的計算機無(wú)疑遠遠都只能停留在遐想階段，要讓所有人都真正信服量子計算機的巨大先進(jìn)性，他們還需要更具說(shuō)服力的事實(shí)。

正是從20世紀90年代開(kāi)始，量子計算的研究取得了前所未有的豐碩成果，在各大公司實(shí)驗室和院校機構的共同推動(dòng)下，量子計算從科學(xué)家論文中的設想、算法逐漸落實(shí)到到實(shí)際制造的機器上。

1994年，貝爾實(shí)驗室的休爾發(fā)表了論文，在里面向大家展示了他的量子算法分解大數的質(zhì)因數的速度如何領(lǐng)先于當時(shí)的已知任何計算機——分解一個(gè)1000位的數字，傳統計算機大約需要耗費10京（《孫子算經(jīng)》載“萬(wàn)萬(wàn)曰億，萬(wàn)萬(wàn)億曰兆，萬(wàn)萬(wàn)兆曰京”）年的時(shí)間，而利用量子計算機的話(huà)，只需要20分鐘左右。

休爾的量子算法將會(huì )對 RSA 等在內的加密算法和系統造成了顯而易見(jiàn)的沖擊，在此以前，破解一個(gè) RSA 129位密碼需要8個(gè)月時(shí)間以及1600名計算機用戶(hù)，然而用量子算法破解 RSA 140位密碼也只要數秒的時(shí)間而已。

休爾的發(fā)現使得量子計算機掀起了一場(chǎng)的風(fēng)暴，不僅席卷了物理學(xué)和計算機科學(xué)領(lǐng)域，讓他們感受到新的計算工具蘊含的巨大潛力，亦使得包括之前一直相信使用 RSA 算法的國家部門(mén)和各公司開(kāi)始認真對待關(guān)注這個(gè)概念。

量子計算機第一次從科學(xué)家的象牙塔里走到了世人面前。

1995年，舒馬赫（Benjamin Schumacher）發(fā)表了論文，第一次提出了量子比特信息學(xué)上的概念，并創(chuàng )造了“量子比特”（qubit）的說(shuō)法。

比特（bit）是傳統計算機中最基礎的構件，它只存在兩個(gè)狀態(tài)0或1之間，在量子計算機中，情況卻并非如此。量子力學(xué)告訴我們，量子具有疊加態(tài)的特性，因而，量子計算機中的比特——即量子比特——同時(shí)就有了0與1的狀態(tài)，它既可以是1，亦可是0。基于量子平行，我們可以將這兩種狀態(tài)看成是處于兩個(gè)不同宇宙里，那么，當一個(gè)量子比特進(jìn)行運算時(shí)，實(shí)際上是處于兩個(gè)宇宙里的數值在同時(shí)執行。

包含3個(gè)量子比特的寄存器

3個(gè)比特可以代表8種狀態(tài)，但是寄存器卻只能記錄其中的一個(gè)結果，而3個(gè)量子比特構成的寄存器同時(shí)也具備了其線(xiàn)性疊加態(tài)效果，于是可以同時(shí)記錄8種數值結果。通過(guò)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就能看出來(lái)量子計算機驚人的計算能力，是同數目（設為n）比特構成的經(jīng)典計算機的2n倍。

理論上來(lái)說(shuō)，一個(gè)量子比特可以?xún)Υ娴男畔⑹菬o(wú)限的，當被測量時(shí)，狀態(tài)滿(mǎn)足一些特定條件的量子比特才會(huì )釋出0或1那樣的結果，也就是說(shuō)，測量會(huì )使得量子比特從疊加態(tài)坍縮，反之，量子比特中存儲的信息將始終處于動(dòng)態(tài)演化過(guò)程之中，并且，通過(guò)量子門(mén)就能讀取其中的信息。

假設我們取數字15來(lái)作為要分解的對象，設它作N，隨機選一個(gè)數字設作X，并且1

我們將這個(gè)運算結果列表如下：

我們會(huì )發(fā)現上述取值的運算結果呈現出（1，2，4，8，1，2，4，8……）的重復數列，我們將重復的頻次命為 f，那么這個(gè)運算中，f 的取值就是4。

通過(guò)寄存器B中一系列復雜的運算執行，上述的f可以在量子計算機中獲得，得出的f值會(huì )帶入下列公式計算出一個(gè)可能的因數。得出的結果不會(huì )一定就是正確的，但是生成f值的量子干涉會(huì )反復嘗試對x進(jìn)行代換從而篩選出正確的結果并排除錯誤的答案。

這就是休爾的量子算法的整體思路，它向科學(xué)界和大眾真正展示了量子計算的強大威力。

計算機科學(xué)中一個(gè)最基本的問(wèn)題就是非結構化搜索，1996年，貝爾實(shí)驗室的拉夫·格羅夫（Lov Kumar Grover）在論文里提出了針對這一問(wèn)題的量子算法。假設有 N 個(gè)黑箱，每個(gè)箱中包含確定的1或0，每次打開(kāi)一個(gè)箱子記為一次搜索請求，那么如果我們想要尋找到包含1的箱子，那么最多講需要進(jìn)行N次請求，而格羅夫的算法則將其減少到了次。

量子計算機固然擁有眾多優(yōu)勢，但是這些基于量子力學(xué)上的特性也使得它本身較之經(jīng)典計算機更加不穩定。和經(jīng)典計算機的設計、硬件并不一樣，量子計算機的設計制造首先需要保證量子比特處于穩定的相干疊加態(tài)的之中。

量子計算機強大的能力是建立在量子相干態(tài)帶來(lái)的量子平行上的，一旦相干態(tài)中的量子比特在和外部環(huán)境發(fā)生量子糾纏之后會(huì )陷入退相干狀態(tài)，那么，此時(shí)的量子比特和傳統比特一樣只能表示一種狀態(tài)，也就是說(shuō)，不穩定狀態(tài)下的量子計算機和經(jīng)典計算機相比喪失了最大的優(yōu)勢——1995年，休爾和安德魯·斯迪恩（Andrew Steane）分別獨立發(fā)表了量子糾錯的規劃，試圖以此來(lái)解決量子計算機在退相干上的隱患。

無(wú)論是休爾還是格羅夫的量子算法實(shí)際上都是建立在量子線(xiàn)路基礎上的，而量子線(xiàn)路和經(jīng)典計算機一樣也包含導線(xiàn)——這里的導線(xiàn)在廣義上還包括粒子、光子乃至地域傳送、時(shí)間演化等——和邏輯門(mén)，前者用來(lái)傳輸信息，后者則負責操作。

新紀元：各種量子算法出現

如果量子計算僅僅是停留在模仿經(jīng)典計算機算法的地步的話(huà)，那么量子計算本身在信息儲存和操作具備的巨大優(yōu)勢就會(huì )僅僅被用來(lái)在計算復雜性理論（computational complexity theory）上留下一些成果，而現實(shí)的物理世界及問(wèn)題則會(huì )被忽視。

于是，在基于量子線(xiàn)路基礎上的量子算法之外，還出現了其他的量子算法，而它們不僅確實(shí)能在一些應用場(chǎng)景中超過(guò)經(jīng)典計算機，還能重新定義難解（intractability）和易解（tractability）問(wèn)題的抽象概念。

• 絕熱算法(adiabatic algorithm)

2000年，MIT和東北大學(xué)（Northeastern University）的物理學(xué)家團隊提出了絕熱算法（Adiabatic Algorithms），2004年，該算法被證明在多項式意義上等價(jià)于線(xiàn)路模型。

• 基于測量的量子算法（Measurement-Based Algorithms）

和量子線(xiàn)路模型以幺正演化（unitary evolution）作為基本機制來(lái)操作信息不同，該算法只使用非幺正測量手段作為可計算步驟，這套算法演變稱(chēng)兩個(gè)主要門(mén)類(lèi)，一是隱形傳態(tài)下的量子計算（teleportation quantum computing），二是單向量子計算機（one way quantum computer）。在2003年，該算法被證明在計算復雜性理論問(wèn)題上同樣等價(jià)于線(xiàn)路模型。

• 拓撲量子場(chǎng)論（Topological-Quantum-Field-Theory Algorithms）

在2000年，有人已經(jīng)證明，該模型可以在標準量子計算機上被高效模擬，但是該算法的最大優(yōu)勢在于高容錯性，而這就意味著(zhù)大規模量子計算機的可能性。

1996年，賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）在論文里為費曼曾經(jīng)提出的量子計算機的設想給予了肯定的答案，包括量子計算機在內的任何量子系統都能通過(guò)程序化來(lái)模仿任意量子系統的行為，而且他還給出了對量子計算機的未來(lái)展望：

“各式原子、分子以及半導體制成的量子設備的出現預示著(zhù)量子模擬即將成為現實(shí)。”

1997年，第一個(gè)基于量子計算機的核磁共振模型提出，下一年，核磁共振技術(shù)就運用到了2量子比特位的寄存器中，而到了2000年，寄存器中的量子比特數量在美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室（Los Alamos National Laboratory）手中增加到了7個(gè)。

和經(jīng)典計算機不一樣，量子比特并不天然存在，除了粒子阱之外，人們還嘗試了基于量子比特的偏振化光子、超導體、半導體以及拓補量子來(lái)作為量子比特，不斷地尋找最穩定的量子比特載體。

2001年，IBM利用核磁共振技術(shù)激活7枚核自旋體使其成為量子比特，在成功運行了上兆次之后，終于成功地將15質(zhì)數分解為3 × 5，量子計算機第一次將使得量子計算變成了現實(shí)——整整10年之后，中國的科學(xué)家利用4個(gè)量子比特實(shí)現了分解143。

2005年，人們成功地在粒子阱中控制住了8個(gè)量子比特，到了2010年，人們已經(jīng)可以在粒子阱中制造出14個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特。

到了2012年，早已經(jīng)不復往日風(fēng)光的 IBM 依然在量子計算領(lǐng)域取得了驚人的成就，他們利用3D超導量子比特成功地使量子比特維持量子狀態(tài)的時(shí)間延長(cháng)到100微秒（μs，1微秒等于百萬(wàn)分之一秒）——對當時(shí)的科學(xué)家們而言，這微不足道的剎那時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了量子計算機進(jìn)行有效的糾錯機制的最低時(shí)間，而他們則能把更多的精力放在提高量子計算機規模的工程問(wèn)題上。

在量子計算風(fēng)起云涌的90年代，在IBM、貝爾實(shí)驗室、MIT等各領(lǐng)風(fēng)騷的同時(shí)，一家4人聯(lián)合創(chuàng )辦的公司在遠離量子計算研究應用版圖中心的加拿大悄悄地成立了，此時(shí)正是20世紀的最后一年。

在之后的很長(cháng)一段時(shí)間中，這家叫D-Wave的公司也并沒(méi)有引起多少人的注意和興趣，直到2007年，這家默默無(wú)聞的公司忽然推出了16位量子退火處理器原型獵戶(hù)座（Orion），而僅僅9個(gè)月后，他們又向外界展示了其27位處理器原型。

紅色為模擬退火算法，黑色為量子退火算法

D-Wave的量子退火算法的原理大體是這樣的：

和基于熱波動(dòng)原理的模擬退火（simulated annealing）不同的是，量子退火(Quantum annealing)利用了量子波動(dòng)。量子波動(dòng)使得量子具有穿透比它自身能量高的勢壘的能力，即量子隧穿效應。量子退火通過(guò)模擬這一過(guò)程來(lái)實(shí)現對目標系統的優(yōu)化。

模擬退火算法要跳出局部最小點(diǎn)A到達全局最優(yōu)點(diǎn)B只能采用翻越勢壘的方式實(shí)現，因此以一定概率暫時(shí)接受較差的當前解成為必須。量子退火算法則利用量子隧穿效應，可以直接從 A 點(diǎn)穿透勢壘到達B點(diǎn)。因此，量子退火可能在某些問(wèn)題上具有比經(jīng)典模擬退火算法更好的性能。

這家公司就像一個(gè)粗魯而強壯的野蠻人一般風(fēng)風(fēng)火火地撞進(jìn)了由實(shí)驗室和象牙塔里的科學(xué)家們經(jīng)營(yíng)維護的秘密花園，然后大無(wú)畏地蕩滌一切，兀自平靜地看著(zhù)那群目瞪口呆猝不及防的人們。

加州大學(xué)伯克利分校教授阿麥什·瓦澤朗尼（Umesh Vazirani）這樣評價(jià) D-Wave 和他們的原型產(chǎn)品：“一個(gè)16位的量子計算機只比手機的處理器強一些，很難說(shuō)它代表了什么實(shí)用突破……即使 D-Wave 的‘量子計算機’的確是真的量子計算機，就算它有上千個(gè)量子比特，它也不必一部手機強上多少。”

然而，4年之后，這家公司推出了運行128位的一體量子計算機D-Wave One，代號“雷勒”（Rainier）的處理器主要用來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題，這被認為是世界上第一臺商用化的量子計算機系統，其售價(jià)將近1000萬(wàn)美元。推出這臺機器之后僅僅4天，洛克希德·馬丁公司就和D-Wave簽署了一份購買(mǎi)其機器、維護服務(wù)的長(cháng)年合同。

對D-Wave的懷疑并沒(méi)停息，一支研究團隊表示，D-Wave One里的量子退火在運算速度上并沒(méi)有比經(jīng)典計算機快上多少。

但是，對D-Wave批評質(zhì)疑的局面并非一成不變。

MIT的教授斯科特·艾倫森（Scott Aaronson）自稱(chēng)“懷疑 D-Wave 者扛把子”（Chief D-Wave Skeptic），早在2007年他就宣稱(chēng)D-Wave原型機展示“什么都沒(méi)法證明”。

隨著(zhù)D-Wave One的推出以及更多關(guān)于支持D-Wave的研究——其中就包括發(fā)表在《自然》（Nature）上的論文——的出現，艾倫森也漸漸改變了自己的傾向，盡管依然堅持自己的質(zhì)疑，但是，他最終還是表達了對D-Wave的祝賀，并宣布“從‘懷疑D-Wave者扛把子’任上退休”：

“過(guò)去4年來(lái)，大家一直要量子計算群體去評價(jià)一家只有冷水和餐盤(pán)的食肆，現在我很高興看到 D-Wave 終于端上了開(kāi)胃菜。”

2012年，D-Wave推出了代號“維蘇威”（D-Wave）的512位量子計算機D-Wave Two，同一年，這家公司和 Google、NASA合作在埃姆斯研究中心（Ames Research Center）組建了量子人工智能實(shí)驗室（Quantum Artificial Intelligence Lab）。

不同的研究團隊對D-Wave的能力有著(zhù)幾乎截然相反的評價(jià)，有人認為，在解決某些問(wèn)題上，它的機器的最快運算速度是經(jīng)典計算機的3600倍，而另外一些實(shí)驗則顯示，在解決Prog-QAP問(wèn)題上，普通單核桌面處理器的速度最多是D-Wave的1.2萬(wàn)倍，在處理Prog-QUBO問(wèn)題上，前者最多是后者的160倍。

實(shí)際上，D-Wave對自己的機器有著(zhù)清晰的界定：

這臺機器并非通用量子計算機，僅僅只用運行優(yōu)化算法；

這臺機器的量子比特是有噪的，在容錯閾值之下是無(wú)法運行的；

并沒(méi)有大規模的量子糾纏；

一些良好調整的經(jīng)典優(yōu)化算法有時(shí)能超過(guò)D-Wave Two。

D-Wave 2X 量子計算機。 （Photo by Stephen Lam/Reuters）

在不斷的爭議和批評中，D-Wave在2015年發(fā)布了他們基于“喀邁拉圖”（chimera graph）架構的新一代1152位（實(shí)際上并沒(méi)達到）量子計算機系統 D-Wave 2X。

一年之后，IBM推出了自己的5位量子計算機處理器，而正如它始終強調而D-Wave 欠缺的那樣，這是一臺通用量子計算機，盡管藍色巨人已經(jīng)顯出傾頹跡象，但是它依然給自己的量子計算列出了未來(lái)10年周期的開(kāi)發(fā)計劃——在之后10年里開(kāi)發(fā)出50~100位的量子計算機。IBM研究院總監阿爾文德·克里希納（Arvind Krishna）這樣說(shuō)道：

“量子計算機和今天的計算機非常不一樣，不只是因為樣子或什么做成的，更重要的在于量子計算機能做的事情。”

未來(lái)將至，巨頭公司入局

在D-Wave的一份官方PPT中，公司的CTO喬迪·洛斯（Geordie Rose）認為，量子計算機最具顛覆性和吸引力的就是在分子維度上模擬自然，它在制藥、化工還有生物科技等領(lǐng)域都有著(zhù)廣闊的應用，由此，量子計算可以撬動(dòng)涵蓋上述3個(gè)總價(jià)值3.1萬(wàn)億美元的市場(chǎng)。

這是10年前他在斯坦福大學(xué)演講時(shí)的期許。

回顧歷史，在麥克斯韋的19世紀，電磁物理推動(dòng)了電力的發(fā)展，使得人類(lèi)社會(huì )的文明程度上升到前所未有的地步，毫無(wú)疑問(wèn)推動(dòng)了工業(yè)和商業(yè)的進(jìn)步。回首過(guò)去一百多年，戰爭結束后，包括太空探索、計算機、核能開(kāi)發(fā)等技術(shù)革命幾乎都與量子力學(xué)有關(guān)，而這些技術(shù)最終也無(wú)一例外地反過(guò)來(lái)促進(jìn)了民用和商業(yè)。

量子計算研究的成熟和繁榮也毫無(wú)疑問(wèn)地有著(zhù)這樣的效應。

早在2002年，就有了第一家從事量子鑰分配的商業(yè)公司ID Quantique，10多年后，黑莓創(chuàng )始人邁克·拉扎里德斯（Mike Lazaridis）成立了1億美元的風(fēng)投基金投資量子計算，下一年，英國政府宣布投入2.7億英鎊來(lái)支持量子技術(shù)的研究和商業(yè)化。

現在，量子計算應用最深入、最具現實(shí)性的領(lǐng)域毫無(wú)疑問(wèn)地是在通信方面。

早在1970年，斯蒂芬·威斯納就提出了“量子錢(qián)”（quantum money）的概念，最早利用量子的測不準性來(lái)進(jìn)行加密，直到1983年這一設想才得以以論文的形式公諸于世，在威斯納思路的啟示下，BB84協(xié)議問(wèn)世。

量子通信的基本原理是這樣的，收發(fā)雙方的信息內容是可以被編譯成光子偏振的，信息發(fā)送者利用隨機偏振發(fā)送信息，接受信息者發(fā)現并記錄下信息。然后，發(fā)送者在公頻告知接受者偏振頻率，兩者按照正確的偏振比對選擇的信息部分。如果在信息收發(fā)過(guò)程中有竊聽(tīng)者并試圖轉發(fā)信息的話(huà)，那么傾聽(tīng)者有一半的機會(huì )獲得正確的信息。

由于接受者獲得的信息中有一半是錯誤的，他可以在公頻中將這些錯誤信息和發(fā)送者選取隨機信息對比，然后重復收到錯誤、對比的過(guò)程，直至得出正確的完整信息。也就是說(shuō)，在整個(gè)信息收發(fā)過(guò)程中，要做到隱瞞收發(fā)雙方竊聽(tīng)信息是不可能實(shí)現的。

正是基于上述的原理，量子通信可以最大限度地保證用戶(hù)的隱私和信息安全，也正因為這樣，量子通信在國家信息安全層面有著(zhù)越來(lái)越迫切的現實(shí)需求，從根本上來(lái)說(shuō)，這也是包括中國、美國及歐洲紛紛跟進(jìn)的原因。

1992年，本內特和威斯納共同提出了超密編碼協(xié)議（super-dense coding protocol），利用一個(gè)無(wú)噪纏繞比特信道和一個(gè)無(wú)噪量子比特信道模擬出了兩個(gè)無(wú)噪經(jīng)典比特信道，次年，本內特等六人發(fā)表的論文提出了隱形傳態(tài)協(xié)議（teleportation protocol），利用兩個(gè)經(jīng)典比特信道和一個(gè)纏繞比特實(shí)現了一個(gè)量子比特的傳輸。

這兩個(gè)協(xié)議的提出奠定了整個(gè)量子信息理論的基礎，向我們展示了經(jīng)典通信源和量子通信源結合、有噪通信源和無(wú)噪通信源結合的可能性。在隨后20多年的時(shí)間里，量子通信開(kāi)始受到各國的重視并快速進(jìn)入應用階段。

1993年，英國率先在10公里的光纖中實(shí)現了量子密鑰分發(fā)，4年之后，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室創(chuàng )記錄地在48公里的地下光纖完成了量子密碼本的傳輸，1999年，日本和瑞典合作完成了40公里光纖的量子密碼通信。

中國在量子通信領(lǐng)域發(fā)表的論文遙遙領(lǐng)先于其他國家地區 （來(lái)源：博客）

2000年，中國在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實(shí)驗，到2004年，中國科學(xué)家在北京與天津之間成功實(shí)現了125公里光纖的點(diǎn)對點(diǎn)的量子密鑰分配，2005年，中國創(chuàng )造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀錄，同時(shí)驗證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2009年，成功實(shí)現了世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，同年8月，在合肥構建了全球首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子保密通信。2010年，中國成功實(shí)現了16公里的量子態(tài)隱形傳輸，比原世界紀錄提高了20多倍。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院以及北京郵電大學(xué)在論文發(fā)表數量上有著(zhù)巨大優(yōu)勢。 （ 來(lái)源：博客）

在中國這個(gè)市場(chǎng)最大、資源最雄厚的地方，量子計算如野火一般燒遍各個(gè)領(lǐng)域，為焦土中的萌芽積攢下最肥沃的養料。尤其是在量子通信方面，中國在研究、應用方面所獲得的成就全面領(lǐng)先于其他國家地區。除了墨子號的發(fā)射之外，現在，北京和上海之間建造的長(cháng)約2000公里的“京滬干線(xiàn)”是世界上第一條量子通信網(wǎng)絡(luò )。

與此同時(shí)，在通信之外的領(lǐng)域，量子計算同樣也有著(zhù)誘人的吸引力。

在航空領(lǐng)域，洛克希德·馬丁之所以采購 D-Wave 的機器，就是因為先有的經(jīng)典計算機在進(jìn)行飛機軟件實(shí)驗時(shí)往往力不從心，無(wú)法應付大量繁復的數據。同樣的道理，NASA 也早早意識到了量子計算在分析外太空行星軌道數據方面的巨大優(yōu)勢，也早早地和 D-Wave 建立起了合作關(guān)系。

在天氣氣候方面，量子計算也有著(zhù)讓人期待的表現，在處理計算大規模數據方面的優(yōu)勢使得人們對于天氣氣候模型的認識了解更深入及時(shí)的話(huà)，那么就能帶來(lái)更準確的天氣氣候預報，而更準確的預報必然提高自然氣候災害的預防力度和治理效率，實(shí)際上密切關(guān)系著(zhù)人們正常的生活工作。Google 的工程總監曾經(jīng)如此評價(jià)道：“我們相信量子計算可以解決許過(guò)最具挑戰性的計算機科學(xué)問(wèn)題……如果我們想創(chuàng )造更有效的環(huán)境政策，我們就需要更好的模型來(lái)了解氣候究竟發(fā)生了什么。”

在制藥、生物科技方面，量子計算儼然一副救世主的面貌。這些行業(yè)推出一款可上市產(chǎn)品必然會(huì )經(jīng)歷一個(gè)漫長(cháng)的實(shí)驗分子結合的過(guò)程，而往往這些實(shí)驗又以失敗告終，因此，通過(guò)量子計算來(lái)節省大量的時(shí)間和成本不僅有利于這些公司的商業(yè)訴求，反過(guò)來(lái)也能極大地降低抗癌藥等高價(jià)藥的成本，最終幫助到普通病患。而在可以預見(jiàn)的未來(lái)，基因層級的分析實(shí)驗等必然會(huì )成為醫學(xué)研究的主要方向之一，而這同樣需要借助到量子計算的力量。

事實(shí)上，量子計算同樣能夠推動(dòng)人工智能和機器學(xué)習等的演化進(jìn)步，從而實(shí)現高科技技術(shù)之間的協(xié)同效應。

1999年，阿拉姆·哈羅（Aram W. Harrow）、阿維納塔·黑斯登（Avinatan Hassidim）及賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）共同發(fā)表論文提出了一種嶄新的量子算法以解決線(xiàn)性方程式系統，經(jīng)典算法所需要的時(shí)間為O（Nk)，而該算法能將時(shí)間縮短至O(log(N)k2)。

機器學(xué)習就是識別系統中數據呈現出來(lái)的趨勢，其主要任務(wù)就是在高維向量空間（high-dimensional vector spaces）里對數據進(jìn)行操控和分類(lèi)，經(jīng)典機器學(xué)習的算法受制于數據量和空間維度所決定的多項式時(shí)間，而量子計算機則能通過(guò)利用張量積的空間（tensor product spaces）來(lái)操控高維向量。

這上述被稱(chēng)之為 HHL 的量子算法正好可以施用于支持向量機（support vector machine），而羅伊德參與的另一篇論文指出，所有的量子支持向量機都能被用作進(jìn)行大數據分類(lèi)，而且較之經(jīng)典計算機在速度上有顯著(zhù)的優(yōu)勢。

而今，自動(dòng)汽車(chē)、自動(dòng)駕駛、腦機交互、自然語(yǔ)言處理乃至線(xiàn)上廣告、搜索引擎、推薦系統等都是機器學(xué)習的熱門(mén)領(lǐng)域，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)的話(huà)，我們可以毫不夸張地說(shuō)，量子計算實(shí)際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來(lái)的發(fā)展方向和趨勢。

實(shí)際上，如果我們留意墨子號報道的話(huà)就會(huì )發(fā)現，在中國的量子衛星項目中，阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗站也是地面科學(xué)應用系統的重要組成部分。

而早在2015年，阿里巴巴就與中國科學(xué)院聯(lián)合成立了量子計算機實(shí)驗室。

根據他們的規劃，到2025年，量子模擬將達到當今世界最快的超級計算機的水平，初步應用于一些目前無(wú)法解決的重大科技難題；到2030年，研制具有50~100個(gè)量子比特的通用量子計算原型機，自主研發(fā)物理層設計、制造及算法，全面實(shí)現通用量子計算功能，并應用于大數據處理等重大實(shí)際問(wèn)題。

除了處理購物網(wǎng)站頁(yè)面搜索、購買(mǎi)、交易等方面產(chǎn)生的巨大數據之外，對這家中國目前市值最高的互聯(lián)網(wǎng)公司而言，量子算法最大的價(jià)值和意義在于更好地利用這些數據產(chǎn)生更大的效益。

從金融、共享經(jīng)濟再到文娛產(chǎn)業(yè)，所有的這些產(chǎn)品與服務(wù)實(shí)際上都和中國互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的數據息息相關(guān)，而中國的互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)又是全世界最龐大最復雜的群體，要優(yōu)化甚至商業(yè)化這些數據，僅僅依靠經(jīng)典計算機或者經(jīng)典算法或許還能應付當前的局面，但要如阿里巴巴量子計算實(shí)驗室創(chuàng )始人所言成為橫跨3個(gè)世紀的百年企業(yè)的話(huà)，它無(wú)疑需要更具前瞻性和戰略性的技術(shù)作為儲備和殺手锏。

對它而言，對Google、微軟、特斯拉等公司而言，它們都是抱著(zhù)同樣的心理。

而這亦是促使從我們這個(gè)漫長(cháng)故事開(kāi)頭的奧斯特到麥克斯韋再到普朗克、玻爾以至圖靈、休爾、格羅夫到今天的潘建偉等人成為時(shí)代風(fēng)云人物的原因。

如果說(shuō)量子計算時(shí)代已經(jīng)到來(lái)的話(huà)，我們不得不說(shuō)，至今我們依然沒(méi)有一臺真正公認的量子計算機問(wèn)世；如果說(shuō)量子計算時(shí)代還很遠的話(huà)，我們又必須承認，利用量子計算技術(shù)產(chǎn)生的成果正越來(lái)越多地應用到我們的生活之中去。

這是量子計算的故事，也是歷史的故事。

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