今年諾貝爾物理獎有關(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”何時統(tǒng)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(jì)70、80年代把拓?fù)洌═opology）這個數(shù)學(xué)概念引入物理學(xué)，做了“物質(zhì)拓?fù)湎嗯c拓?fù)湎噢D(zhuǎn)變”方面的理論研究，簡言之就是研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)。諾貝爾組委會把電子學(xué)和超導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展歸功于他們，并稱“或?qū)⒂兄谖磥砹孔佑嬎銠C(jī)的發(fā)展”。

今年在整個前沿技術(shù)領(lǐng)域，“量子計算”出現(xiàn)的頻率都特別高，這個過去僅在學(xué)術(shù)圈討論的話題，開始頻頻進(jìn)入企業(yè)圈，阿里巴巴就是最早宣稱要進(jìn)入“量子研究”領(lǐng)域的中國公司。而這并不偶然，自動汽車、自動駕駛、腦機(jī)交互、自然語言處理乃至線上廣告、搜索引擎、推薦系統(tǒng)等都是機(jī)器學(xué)習(xí)的熱門領(lǐng)域，從這一點來說的話，我們可以毫不夸張地說，量子計算實際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來的發(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」歷時數(shù)月，深度訪問國內(nèi)外多位“量子計算”領(lǐng)域權(quán)威，也經(jīng)過認(rèn)真研究和梳理，將這世紀(jì)級的問題說一說：

2016年8月16日，北京時間凌晨1時40分。

中國的長征號系列火箭在酒泉衛(wèi)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”量子實驗科學(xué)衛(wèi)星（QUESS，Quantum Experiments at Space Scale），這是世界上第一顆量子衛(wèi)星，也是人類首次通過衛(wèi)星實現(xiàn)地球和外太空之間的通信。

《紐約時報》（The New York Times）這樣評價墨子號的意義：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，距離我國量子衛(wèi)星正式立項也只過去了不到5年而已，距離潘建偉在2003年提出發(fā)射量子衛(wèi)星僅僅過去了13年時間，距離潘建偉回到國內(nèi)建立起了中國第一個操控光子的量子屬性的實驗室只有15年。

而查爾斯·本內(nèi)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(nóng)（Claude Elwood Shannon）建立現(xiàn)代信息理論則是僅僅是幾十年前的時間。

如果說香農(nóng)用數(shù)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(yīng)用到通信中的廣闊前景和巨大想象力，信息收發(fā)者通過量子頻道設(shè)定密鑰，而基于測不準(zhǔn)原理，任何覬覦信息的竊聽者都會破壞到數(shù)據(jù)使得收發(fā)雙方發(fā)現(xiàn)，這就保證了沒有任何人能夠在不被當(dāng)事人發(fā)現(xiàn)的情況下竊取信息。

這就是量子通信的基礎(chǔ)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)勢來接發(fā)信息，這正是量子計算在現(xiàn)實世界中最具實踐場景、最具操作可行性的應(yīng)用之一。

事實上，30多年前，費(fèi)曼才提出量子計算機(jī)的設(shè)想，而直到100多年前，在解決黑體輻射問題的過程中，普朗克發(fā)現(xiàn)了輻射量子化的現(xiàn)象，他假設(shè)能量只能在微小、各異、相互遠(yuǎn)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(chǔ)上經(jīng)過后續(xù)半個多世紀(jì)的發(fā)展，量子理論發(fā)揚(yáng)光大，它與經(jīng)典物理理論有著5個顯著不同的特性：

非決定論（indeterminism）

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

量子干涉（interference）

在波理論中，當(dāng)兩個相干（coherent）的波源疊加時變產(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(zhǔn)（uncertainty）

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

量子疊加（superposition）

一個量子可以同時處于兩種允許狀態(tài)的線性疊加狀態(tài)，這意味著一個量子可以同時處于這里或那里，在與外部環(huán)境發(fā)生關(guān)系的過程中，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(biāo)。

量子糾纏（entanglement）

意指同時擁有多個量子的強(qiáng)量子關(guān)聯(lián)，1935年，愛因斯坦等人提出了 EPR 悖論來質(zhì)疑量子理論的完備性，并試圖以定域性隱變理論來替代量子理論，但是，1964年，貝爾不等式證明任何滿足 RPR 假設(shè)的兩個粒子經(jīng)典關(guān)聯(lián)必然在一定數(shù)量以下，而兩個糾纏態(tài)的量子并不符合此不等式，因此，量子糾纏無法用任何經(jīng)典關(guān)聯(lián)進(jìn)行解釋，而只能是一種罕有的量子世界現(xiàn)象。

在量子理論發(fā)展的100多年時間里，我們將會看到圍繞著這些難以捉摸的現(xiàn)象和概念，那些在人類歷史上數(shù)一數(shù)二的天才們殫精竭慮為捍衛(wèi)自己的觀點而相互頡頏，而在二戰(zhàn)以后，量子理論的這些特性又是如何幫助現(xiàn)代的科學(xué)家們建立新的算法和應(yīng)用、如何利用量子通信、量子計算機(jī)等量子計算去想象世界的另一種可能性。

在歷史上，從來沒有一個理論像量子力學(xué)這樣如此深遠(yuǎn)地改變了世界的面貌，也從來沒有一門技術(shù)能像量子通信和量子計算這樣給予人類的未來如此無盡的想象力。

直至1989年，蒂姆·伯納斯·李（Tim Berners-Lee）才提出了“萬維網(wǎng)”（World Wide Web）的理念，因特網(wǎng)的最早雛形 ARPANET 在1969年就出現(xiàn)了，但直到1981年 CSNET 的建立以及次年 TCP/IP 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，它才真正突飛猛進(jìn)地發(fā)展起來。

直到1994年，世界上第一臺嚴(yán)格意義上的智能手機(jī)才問世，1993年時，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，甚至沒有人專門研究人工智能。

在橫跨過往3個世紀(jì)的時間里，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，從某種意義上來說，反而是歷史本身的軌跡構(gòu)成了它的發(fā)展和進(jìn)化。

“沒人懂得量子力學(xué)”

我可以斷言沒人懂量子力學(xué)。

——理查德·費(fèi)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，普朗克提出了后來被普朗克常數(shù)的作用量子 h：

我們采取這種看法，認(rèn)為 E 是由數(shù)目有限的相等部分組成的，因此我們應(yīng)用了自然常量 ：

在這個新世紀(jì)元年的最后時間里，量子力學(xué)如驚雷一般倏忽現(xiàn)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世紀(jì)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，這時距離他寫出重寫物理歷史的論文還有5年的時間。

隨著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，小小的專利局文員愛因斯坦一舉成為整個物理學(xué)界的焦點，次年，他將普朗克的量子假說應(yīng)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)布了自己的實驗結(jié)果，證明了愛因斯坦理論的正確。

1911年第一次索爾維會議上的與會者合影，拍攝于布魯塞爾的大都會酒店

1927年的索爾維會議集合了當(dāng)時為止人類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，在第六次索爾維會議上，愛因斯坦首先用一個光子箱實驗來質(zhì)疑測不準(zhǔn)定理，直到第二天，玻爾等人才找出愛因斯坦論點中的漏洞，有力地反擊了后者，使愛因斯坦不得承認(rèn)測不準(zhǔn)原理的合理性，事實上，這也意味著愛因斯坦短暫承認(rèn)了早在1927年的會議上玻恩、海森堡就一再強(qiáng)調(diào)的觀點，即量子力學(xué)是一種完備的理論。

終其一生，愛因斯坦始終對量子力學(xué)持懷疑態(tài)度。然而，就像愛因斯坦自己說的那樣，他從來不相信上帝，在愛因斯坦心中，唯一能稱得上宗教的只有對能夠被科學(xué)所解釋的世界結(jié)構(gòu)的無限崇敬。

關(guān)于量子力學(xué)的爭論并沒有就此停止，在量子力學(xué)爭論如火如荼的同時，戰(zhàn)火也蔓延世界，戰(zhàn)爭在摧毀世界舊秩序的同時，也極大地推動了科學(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(zhàn)里。

前奏：“如果你想模擬自然的話，那你最好去用量子力學(xué)”

19世紀(jì)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，查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）也在不斷失敗的處境中嘗試著完成差分機(jī)和分析機(jī)，盡管至死都沒有完成設(shè)備的組裝和完整運(yùn)行，但是，這些能夠通過邏輯化的運(yùn)作進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的設(shè)備雛形卻使得人們認(rèn)識到通用計算機(jī)的可能性。

1936年，阿蘭·圖靈提出了現(xiàn)代計算機(jī)的概念。 （來源：NPL/Science Museum）

1936年，阿蘭·圖靈（Alan Turing）在論文《論數(shù)字計算在決斷難題中的應(yīng)用》（On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem）里提出了現(xiàn)代計算機(jī)的概念，天才的圖靈是如此描述這樣的設(shè)備的：“發(fā)明一臺用來計算所有可計算數(shù)列的設(shè)備是完全可能的?！?/p>

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

隨著戰(zhàn)爭結(jié)束以及社會各行各業(yè)的復(fù)興需求，體積龐大但在運(yùn)算上有著驚人優(yōu)勢的計算機(jī)從戰(zhàn)爭期間的隱蔽戰(zhàn)線開始越來越多地出現(xiàn)在民用和商業(yè)領(lǐng)域。

1951年，費(fèi)朗替（Ferranti）公司為曼徹斯特大學(xué)開發(fā)出了世界上第一臺商用計算機(jī)Ferranti Mark 1，同年，美國人口調(diào)查局采購了UNIVAC I，這是世界上第一臺被大規(guī)模制造的計算機(jī)，僅僅3年之后，IBM 推出了“相對”而言更小更便宜的計算機(jī)IBM 650 ，這臺設(shè)備凈重超過900千克，算上電力供應(yīng)裝置之后則在1.35噸以上，售價高達(dá)50萬美元或者每月租金為3500美元。

1947年，雙體性晶體管問世，并逐漸取代真空管在以往計算機(jī)設(shè)計中的位置，1953年，世界上第一臺可運(yùn)行的晶體管計算機(jī)在英國問世，兩年后，另一臺包含200個晶體管、1300個固態(tài)二極管的晶體管計算機(jī)問世。6年后，世界上第一個可運(yùn)行的集成電路問世。晶體管和集成電路的出現(xiàn)意味著計算機(jī)有了更快的運(yùn)行速度和更強(qiáng)大的計算能力。

數(shù)學(xué)上，算法是對函數(shù)進(jìn)行有效計算的方法，算法研究的一個重要的切入點是尋找可以有效計算的函數(shù)，這類函數(shù)叫做遞歸函數(shù)。

1931年，哥德爾（Kurt Friedrich G?del）提出并證明了后來被統(tǒng)稱為哥德爾不完備定理的兩條定理，而根據(jù)哥德爾不完備定理，一些函數(shù)在數(shù)學(xué)上是不能被算法計算的。

哥德爾對“計算”（computation）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?xì)w于同一類可計算函數(shù)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(shù)都能被圖靈機(jī)計算。

計算機(jī)科學(xué)家把一個運(yùn)行時間隨著輸入大小而像多項式展開那樣增長的算法叫做“多項式時間”（polynomial-time），如果一個問題用多項式時間就能解決的話，大家就把它稱作復(fù)雜類度為P的問題——絕大多數(shù)P類問題都用有效的算法解決，然而，大多數(shù)不屬于P類的問題無論花多少時間也解決不了。

按照強(qiáng)邱奇－圖靈假想（Strong Church-Turing Thesis）進(jìn)一步推演的話，就是說，如果在物理計算機(jī)上計算一個可計算函數(shù)的時間是 T 的話，那么在圖靈機(jī)上的時間則是O(Tc)，而這里的常數(shù) c 僅僅由計算機(jī)使用的函數(shù)類型決定。

隨著數(shù)字計算機(jī)的出現(xiàn)，由于機(jī)器本身的容量和時間有限，這就使得可計算和不可計算之間的差別在計算機(jī)的實際應(yīng)用上顯得越來越重要，皮特·休爾（Peter Williston Shor）這樣評價道，“如果所有計算機(jī)跑完一個可計算函數(shù)的時間里，太陽都燃燒殆盡了，這在實用方面可一點都不好?！?/p>

于是，一種新的迥異于傳統(tǒng)算法的計算機(jī)呼之欲出。

1970年，斯蒂文·威斯納（Steven Wiesner）就設(shè)想量子信息處理是解決密碼邏輯認(rèn)為較好的一種方式，這是量子計算最早的火花。在10多年后，在愛德華·福萊德金（Edward Fredkin）的可逆計算理念的啟發(fā)下，費(fèi)曼為大家開辟了那條新路。

費(fèi)曼相信，一臺基于量子力學(xué)現(xiàn)象的計算機(jī)在模仿量子力學(xué)現(xiàn)象上有著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，那你最好去用量子力學(xué)?！?/strong>

在1982年發(fā)表的一篇論文中，諾貝爾獎得主費(fèi)曼認(rèn)為，在計算機(jī)上模擬量子力學(xué)內(nèi)在地就需要指數(shù)級增長的投入，而他給出的建議則是，使用量子計算機(jī)。費(fèi)曼相信，一臺基于量子力學(xué)現(xiàn)象的計算機(jī)在模仿量子力學(xué)現(xiàn)象上有著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(jī)制造微量子力學(xué)系統(tǒng)計算機(jī)模型的可能性。

1985年，牛津大學(xué)的大衛(wèi)·道勅（David Deutsch）在一篇論文里給出了量子計算的抽象模型，但是，此時大家的疑問還是，量子計算機(jī)究竟能解決哪些實際問題。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(jī)，量子計算機(jī)在解決問題上所花的時間要少得多；比起任何基于隨機(jī)算法的計算機(jī)的預(yù)期時間，量子計算機(jī)也相對更少。”

但是僅僅有量子計算機(jī)的設(shè)想還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，沒有算法支持的計算機(jī)無疑遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)的巨大先進(jìn)性，他們還需要更具說服力的事實。

正是從20世紀(jì)90年代開始，量子計算的研究取得了前所未有的豐碩成果，在各大公司實驗室和院校機(jī)構(gòu)的共同推動下，量子計算從科學(xué)家論文中的設(shè)想、算法逐漸落實到到實際制造的機(jī)器上。

1994年，貝爾實驗室的休爾發(fā)表了論文，在里面向大家展示了他的量子算法分解大數(shù)的質(zhì)因數(shù)的速度如何領(lǐng)先于當(dāng)時的已知任何計算機(jī)——分解一個1000位的數(shù)字，傳統(tǒng)計算機(jī)大約需要耗費(fèi)10京（《孫子算經(jīng)》載“萬萬曰億，萬萬億曰兆，萬萬兆曰京”）年的時間，而利用量子計算機(jī)的話，只需要20分鐘左右。

休爾的量子算法將會對 RSA 等在內(nèi)的加密算法和系統(tǒng)造成了顯而易見的沖擊，在此以前，破解一個 RSA 129位密碼需要8個月時間以及1600名計算機(jī)用戶，然而用量子算法破解 RSA 140位密碼也只要數(shù)秒的時間而已。

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

量子計算機(jī)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）的說法。

比特（bit）是傳統(tǒng)計算機(jī)中最基礎(chǔ)的構(gòu)件，它只存在兩個狀態(tài)0或1之間，在量子計算機(jī)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(jī)中的比特——即量子比特——同時就有了0與1的狀態(tài)，它既可以是1，亦可是0?；诹孔悠叫?，我們可以將這兩種狀態(tài)看成是處于兩個不同宇宙里，那么，當(dāng)一個量子比特進(jìn)行運(yùn)算時，實際上是處于兩個宇宙里的數(shù)值在同時執(zhí)行。

包含3個量子比特的寄存器

3個比特可以代表8種狀態(tài)，但是寄存器卻只能記錄其中的一個結(jié)果，而3個量子比特構(gòu)成的寄存器同時也具備了其線性疊加態(tài)效果，于是可以同時記錄8種數(shù)值結(jié)果。通過這樣一個簡單的例子就能看出來量子計算機(jī)驚人的計算能力，是同數(shù)目（設(shè)為n）比特構(gòu)成的經(jīng)典計算機(jī)的2n倍。

理論上來說，一個量子比特可以儲存的信息是無限的，當(dāng)被測量時，狀態(tài)滿足一些特定條件的量子比特才會釋出0或1那樣的結(jié)果，也就是說，測量會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態(tài)演化過程之中，并且，通過量子門就能讀取其中的信息。

假設(shè)我們?nèi)?shù)字15來作為要分解的對象，設(shè)它作N，隨機(jī)選一個數(shù)字設(shè)作X，并且1

我們將這個運(yùn)算結(jié)果列表如下：

我們會發(fā)現(xiàn)上述取值的運(yùn)算結(jié)果呈現(xiàn)出（1，2，4，8，1，2，4，8……）的重復(fù)數(shù)列，我們將重復(fù)的頻次命為 f，那么這個運(yùn)算中，f 的取值就是4。

通過寄存器B中一系列復(fù)雜的運(yùn)算執(zhí)行，上述的f可以在量子計算機(jī)中獲得，得出的f值會帶入下列公式計算出一個可能的因數(shù)。得出的結(jié)果不會一定就是正確的，但是生成f值的量子干涉會反復(fù)嘗試對x進(jìn)行代換從而篩選出正確的結(jié)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(qiáng)大威力。

計算機(jī)科學(xué)中一個最基本的問題就是非結(jié)構(gòu)化搜索，1996年，貝爾實驗室的拉夫·格羅夫（Lov Kumar Grover）在論文里提出了針對這一問題的量子算法。假設(shè)有 N 個黑箱，每個箱中包含確定的1或0，每次打開一個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(jī)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(jī)更加不穩(wěn)定。和經(jīng)典計算機(jī)的設(shè)計、硬件并不一樣，量子計算機(jī)的設(shè)計制造首先需要保證量子比特處于穩(wěn)定的相干疊加態(tài)的之中。

量子計算機(jī)強(qiáng)大的能力是建立在量子相干態(tài)帶來的量子平行上的，一旦相干態(tài)中的量子比特在和外部環(huán)境發(fā)生量子糾纏之后會陷入退相干狀態(tài)，那么，此時的量子比特和傳統(tǒng)比特一樣只能表示一種狀態(tài)，也就是說，不穩(wěn)定狀態(tài)下的量子計算機(jī)和經(jīng)典計算機(jī)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(guī)劃，試圖以此來解決量子計算機(jī)在退相干上的隱患。

無論是休爾還是格羅夫的量子算法實際上都是建立在量子線路基礎(chǔ)上的，而量子線路和經(jīng)典計算機(jī)一樣也包含導(dǎo)線——這里的導(dǎo)線在廣義上還包括粒子、光子乃至地域傳送、時間演化等——和邏輯門，前者用來傳輸信息，后者則負(fù)責(zé)操作。

新紀(jì)元：各種量子算法出現(xiàn)

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

于是，在基于量子線路基礎(chǔ)上的量子算法之外，還出現(xiàn)了其他的量子算法，而它們不僅確實能在一些應(yīng)用場景中超過經(jīng)典計算機(jī)，還能重新定義難解（intractability）和易解（tractability）問題的抽象概念。

• 絕熱算法(adiabatic algorithm)

2000年，MIT和東北大學(xué)（Northeastern University）的物理學(xué)家團(tuán)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于線路模型。

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

和量子線路模型以幺正演化（unitary evolution）作為基本機(jī)制來操作信息不同，該算法只使用非幺正測量手段作為可計算步驟，這套算法演變稱兩個主要門類，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(jī)（one way quantum computer）。在2003年，該算法被證明在計算復(fù)雜性理論問題上同樣等價于線路模型。

• 拓?fù)淞孔訄稣摚═opological-Quantum-Field-Theory Algorithms）

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

1996年，賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）在論文里為費(fèi)曼曾經(jīng)提出的量子計算機(jī)的設(shè)想給予了肯定的答案，包括量子計算機(jī)在內(nèi)的任何量子系統(tǒng)都能通過程序化來模仿任意量子系統(tǒng)的行為，而且他還給出了對量子計算機(jī)的未來展望：

“各式原子、分子以及半導(dǎo)體制成的量子設(shè)備的出現(xiàn)預(yù)示著量子模擬即將成為現(xiàn)實。”

1997年，第一個基于量子計算機(jī)的核磁共振模型提出，下一年，核磁共振技術(shù)就運(yùn)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(shù)量在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）手中增加到了7個。

和經(jīng)典計算機(jī)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(dǎo)體、半導(dǎo)體以及拓補(bǔ)量子來作為量子比特，不斷地尋找最穩(wěn)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(yùn)行了上兆次之后，終于成功地將15質(zhì)數(shù)分解為3 × 5，量子計算機(jī)第一次將使得量子計算變成了現(xiàn)實——整整10年之后，中國的科學(xué)家利用4個量子比特實現(xiàn)了分解143。

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

到了2012年，早已經(jīng)不復(fù)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(dǎo)量子比特成功地使量子比特維持量子狀態(tài)的時間延長到100微秒（μs，1微秒等于百萬分之一秒）——對當(dāng)時的科學(xué)家們而言，這微不足道的剎那時間已經(jīng)超過了量子計算機(jī)進(jìn)行有效的糾錯機(jī)制的最低時間，而他們則能把更多的精力放在提高量子計算機(jī)規(guī)模的工程問題上。

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

在之后的很長一段時間中，這家叫D-Wave的公司也并沒有引起多少人的注意和興趣，直到2007年，這家默默無聞的公司忽然推出了16位量子退火處理器原型獵戶座（Orion），而僅僅9個月后，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。量子波動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(yīng)。量子退火通過模擬這一過程來實現(xiàn)對目標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)化。

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

這家公司就像一個粗魯而強(qiáng)壯的野蠻人一般風(fēng)風(fēng)火火地撞進(jìn)了由實驗室和象牙塔里的科學(xué)家們經(jīng)營維護(hù)的秘密花園，然后大無畏地蕩滌一切，兀自平靜地看著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?zhǔn)病ね邼衫誓幔║mesh Vazirani）這樣評價 D-Wave 和他們的原型產(chǎn)品：“一個16位的量子計算機(jī)只比手機(jī)的處理器強(qiáng)一些，很難說它代表了什么實用突破……即使 D-Wave 的‘量子計算機(jī)’的確是真的量子計算機(jī)，就算它有上千個量子比特，它也不必一部手機(jī)強(qiáng)上多少?！?/strong>

然而，4年之后，這家公司推出了運(yùn)行128位的一體量子計算機(jī)D-Wave One，代號“雷勒”（Rainier）的處理器主要用來解決優(yōu)化問題，這被認(rèn)為是世界上第一臺商用化的量子計算機(jī)系統(tǒng)，其售價將近1000萬美元。推出這臺機(jī)器之后僅僅4天，洛克希德·馬丁公司就和D-Wave簽署了一份購買其機(jī)器、維護(hù)服務(wù)的長年合同。

對D-Wave的懷疑并沒停息，一支研究團(tuán)隊表示，D-Wave One里的量子退火在運(yùn)算速度上并沒有比經(jīng)典計算機(jī)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“懷疑 D-Wave 者扛把子”（Chief D-Wave Skeptic），早在2007年他就宣稱D-Wave原型機(jī)展示“什么都沒法證明”。

隨著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(xiàn)，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(dá)了對D-Wave的祝賀，并宣布“從‘懷疑D-Wave者扛把子’任上退休”：

“過去4年來，大家一直要量子計算群體去評價一家只有冷水和餐盤的食肆，現(xiàn)在我很高興看到 D-Wave 終于端上了開胃菜?！?/p>

2012年，D-Wave推出了代號“維蘇威”（D-Wave）的512位量子計算機(jī)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驗室（Quantum Artificial Intelligence Lab）。

不同的研究團(tuán)隊對D-Wave的能力有著幾乎截然相反的評價，有人認(rèn)為，在解決某些問題上，它的機(jī)器的最快運(yùn)算速度是經(jīng)典計算機(jī)的3600倍，而另外一些實驗則顯示，在解決Prog-QAP問題上，普通單核桌面處理器的速度最多是D-Wave的1.2萬倍，在處理Prog-QUBO問題上，前者最多是后者的160倍。

實際上，D-Wave對自己的機(jī)器有著清晰的界定：

這臺機(jī)器并非通用量子計算機(jī)，僅僅只用運(yùn)行優(yōu)化算法；

這臺機(jī)器的量子比特是有噪的，在容錯閾值之下是無法運(yùn)行的；

并沒有大規(guī)模的量子糾纏；

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

D-Wave 2X 量子計算機(jī)。 （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(gòu)的新一代1152位（實際上并沒達(dá)到）量子計算機(jī)系統(tǒng) D-Wave 2X。

一年之后，IBM推出了自己的5位量子計算機(jī)處理器，而正如它始終強(qiáng)調(diào)而D-Wave 欠缺的那樣，這是一臺通用量子計算機(jī)，盡管藍(lán)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10年周期的開發(fā)計劃——在之后10年里開發(fā)出50~100位的量子計算機(jī)。IBM研究院總監(jiān)阿爾文德·克里希納（Arvind Krishna）這樣說道：

“量子計算機(jī)和今天的計算機(jī)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(jī)能做的事情?！?/p>

未來將至，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(rèn)為，量子計算機(jī)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)域都有著廣闊的應(yīng)用，由此，量子計算可以撬動涵蓋上述3個總價值3.1萬億美元的市場。

這是10年前他在斯坦福大學(xué)演講時的期許。

回顧歷史，在麥克斯韋的19世紀(jì)，電磁物理推動了電力的發(fā)展，使得人類社會的文明程度上升到前所未有的地步，毫無疑問推動了工業(yè)和商業(yè)的進(jìn)步?；厥走^去一百多年，戰(zhàn)爭結(jié)束后，包括太空探索、計算機(jī)、核能開發(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)最終也無一例外地反過來促進(jìn)了民用和商業(yè)。

量子計算研究的成熟和繁榮也毫無疑問地有著這樣的效應(yīng)。

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2.7億英鎊來支持量子技術(shù)的研究和商業(yè)化。

現(xiàn)在，量子計算應(yīng)用最深入、最具現(xiàn)實性的領(lǐng)域毫無疑問地是在通信方面。

早在1970年，斯蒂芬·威斯納就提出了“量子錢”（quantum money）的概念，最早利用量子的測不準(zhǔn)性來進(jìn)行加密，直到1983年這一設(shè)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)議問世。

量子通信的基本原理是這樣的，收發(fā)雙方的信息內(nèi)容是可以被編譯成光子偏振的，信息發(fā)送者利用隨機(jī)偏振發(fā)送信息，接受信息者發(fā)現(xiàn)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)過程中有竊聽者并試圖轉(zhuǎn)發(fā)信息的話，那么傾聽者有一半的機(jī)會獲得正確的信息。

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(jī)信息對比，然后重復(fù)收到錯誤、對比的過程，直至得出正確的完整信息。也就是說，在整個信息收發(fā)過程中，要做到隱瞞收發(fā)雙方竊聽信息是不可能實現(xiàn)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越來越迫切的現(xiàn)實需求，從根本上來說，這也是包括中國、美國及歐洲紛紛跟進(jìn)的原因。

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

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

1993年，英國率先在10公里的光纖中實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)，4年之后，洛斯阿拉莫斯國家實驗室創(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(qū) （來源：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驗，到2004年，中國科學(xué)家在北京與天津之間成功實現(xiàn)了125公里光纖的點對點的量子密鑰分配，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(jì)錄，同時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，成功實現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，同年8月，在合肥構(gòu)建了全球首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。2010年，中國成功實現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳輸，比原世界紀(jì)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(shù)量上有著巨大優(yōu)勢。 （ 來源：博客）

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

與此同時，在通信之外的領(lǐng)域，量子計算同樣也有著誘人的吸引力。

在航空領(lǐng)域，洛克希德·馬丁之所以采購 D-Wave 的機(jī)器，就是因為先有的經(jīng)典計算機(jī)在進(jìn)行飛機(jī)軟件實驗時往往力不從心，無法應(yīng)付大量繁復(fù)的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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，量子計算也有著讓人期待的表現(xiàn)，在處理計算大規(guī)模數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢使得人們對于天氣氣候模型的認(rèn)識了解更深入及時的話，那么就能帶來更準(zhǔn)確的天氣氣候預(yù)報，而更準(zhǔn)確的預(yù)報必然提高自然氣候災(zāi)害的預(yù)防力度和治理效率，實際上密切關(guān)系著人們正常的生活工作。Google 的工程總監(jiān)曾經(jīng)如此評價道：“我們相信量子計算可以解決許過最具挑戰(zhàn)性的計算機(jī)科學(xué)問題……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了解氣候究竟發(fā)生了什么?！?/p>

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)品必然會經(jīng)歷一個漫長的實驗分子結(jié)合的過程，而往往這些實驗又以失敗告終，因此，通過量子計算來節(jié)省大量的時間和成本不僅有利于這些公司的商業(yè)訴求，反過來也能極大地降低抗癌藥等高價藥的成本，最終幫助到普通病患。而在可以預(yù)見的未來，基因?qū)蛹壍姆治鰧嶒灥缺厝粫蔀獒t(yī)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。

事實上，量子計算同樣能夠推動人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等的演化進(jìn)步，從而實現(xiàn)高科技技術(shù)之間的協(xié)同效應(yīng)。

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性方程式系統(tǒng)，經(jīng)典算法所需要的時間為O（Nk)，而該算法能將時間縮短至O(log(N)k2)。

機(jī)器學(xué)習(xí)就是識別系統(tǒng)中數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來的趨勢，其主要任務(wù)就是在高維向量空間（high-dimensional vector spaces）里對數(shù)據(jù)進(jìn)行操控和分類，經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的算法受制于數(shù)據(jù)量和空間維度所決定的多項式時間，而量子計算機(jī)則能通過利用張量積的空間（tensor product spaces）來操控高維向量。

這上述被稱之為 HHL 的量子算法正好可以施用于支持向量機(jī)（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(jī)都能被用作進(jìn)行大數(shù)據(jù)分類，而且較之經(jīng)典計算機(jī)在速度上有顯著的優(yōu)勢。

而今，自動汽車、自動駕駛、腦機(jī)交互、自然語言處理乃至線上廣告、搜索引擎、推薦系統(tǒng)等都是機(jī)器學(xué)習(xí)的熱門領(lǐng)域，從這一點來說的話，我們可以毫不夸張地說，量子計算實際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來的發(fā)展方向和趨勢。

實際上，如果我們留意墨子號報道的話就會發(fā)現(xiàn)，在中國的量子衛(wèi)星項目中，阿里量子隱形傳態(tài)實驗站也是地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)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(jī)實驗室。

根據(jù)他們的規(guī)劃，到2025年，量子模擬將達(dá)到當(dāng)今世界最快的超級計算機(jī)的水平，初步應(yīng)用于一些目前無法解決的重大科技難題；到2030年，研制具有50~100個量子比特的通用量子計算原型機(jī)，自主研發(fā)物理層設(shè)計、制造及算法，全面實現(xiàn)通用量子計算功能，并應(yīng)用于大數(shù)據(jù)處理等重大實際問題。

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

從金融、共享經(jīng)濟(jì)再到文娛產(chǎn)業(yè)，所有的這些產(chǎn)品與服務(wù)實際上都和中國互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)息息相關(guān)，而中國的互聯(lián)網(wǎng)用戶又是全世界最龐大最復(fù)雜的群體，要優(yōu)化甚至商業(yè)化這些數(shù)據(jù)，僅僅依靠經(jīng)典計算機(jī)或者經(jīng)典算法或許還能應(yīng)付當(dāng)前的局面，但要如阿里巴巴量子計算實驗室創(chuàng)始人所言成為橫跨3個世紀(jì)的百年企業(yè)的話，它無疑需要更具前瞻性和戰(zhàn)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，它們都是抱著同樣的心理。

而這亦是促使從我們這個漫長故事開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代風(fēng)云人物的原因。

如果說量子計算時代已經(jīng)到來的話，我們不得不說，至今我們依然沒有一臺真正公認(rèn)的量子計算機(jī)問世；如果說量子計算時代還很遠(yuǎn)的話，我們又必須承認(rèn)，利用量子計算技術(shù)產(chǎn)生的成果正越來越多地應(yīng)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。

量子計算概念股：福晶科技、華工科技、三力士、神州信息、凱樂科技、天海防務(wù)。

量子計算概念股

那么問題來了：最值得配置的量子計算概念股是哪只？即刻申請進(jìn)入國內(nèi)首個免費(fèi)的非公開主題投資交流社區(qū)概念股論壇參與討論！