百年的超越：量子物理学与量子计算机

在今天如果问计算机领域最前沿的是什么，我个人认为一方面是机器学习、神经网络的运用让人工智能表现出了超越人类的能力，比如明天就要在乌镇与柯洁下围棋的Alpha Go，就打破了过去一直认为的、复杂的围棋计算机还难以超越人类的观念；另外一个领域，则是属于量子计算机，可以说我们极有可能是幸运的一代人，有机会亲历量子计算带来的变革。

量子计算机

     那么什么是量子、什么又是量子计算机？我觉得作为中关村在线的网友有必要知道。我在翻阅了不少资料之后，写出此文，希望能用浅显的语音能让你有所了解这个全新的领域，多少也知道量子理论诞生的来龙去脉。

经典物理学的挑战

    我们先把时钟拨回到一个多世纪以前的十九世纪末、二十世纪初。很奇怪，能在一个时代集中出现如此之多的科学巨匠在人类整个文明史上也不多见，但那个时代恰好正是。以牛顿为代表的经典物理学在一代代人的深入研究之后，终于来到了突破的十字路口。

对黑体辐射的研究产生了突破

    冬天北方人为主，都会有暖气。而南方则普遍是空调，于是有人说空调加热没有暖气舒服。这其中的道理，就与热的传递方式有关。热有三种传递方式：传导、对流和辐射，暖气的辐射热有点类似阳光的热辐射，所以我们感觉上更好。一百多年以前，正式对于黑体辐射的深入研究，打开了量子物理世界的大门。

光的研究有力佐证了量子理论，后面会说到

    十九世纪末的时候，人民普遍认为经典物理学已经非常完善了。但是很多实践中的观察发现，当处于高速状态下的时候，经典物理学就会出问题。这其中重要的研究对象是光。我们都知道牛顿用三棱镜把阳光折射成立七种颜色，牛顿坚持认为光是由一份份粒子组成的，因为光可以用镜子反射。

为了纪念麦克斯韦，nVIDIA的一代GPU的核心就以他的名字命名

    但是菲涅尔等人在18世纪早期发现了光的干涉现象，和水波纹一样，这是光是一种波的证明。那么光到底是小颗粒还是一直波，争议了很久。在1873年，另一个伟人麦克斯韦发表了电磁理论，并且实验测速发现电磁波的速度和光速差不多，于是得到结论是光也是一种电磁波。

普朗克与爱因斯坦

    当时经典物理学有个很重要的研究对象就是绝对黑体。这个物体在冷的时候不发光，而是吸纳光线和热。在电磁学理论之后，绝对黑体的理论又有了进展。当时人们已经知道热辐射也是电磁波的一种形式。

对高热物体发光变色的研究导致了悖论出现

    我们都知道铁加热会变红，当温度高的时候会熔化发出白光或是蓝光，可以看到的光就是它辐射出来电磁波的可见部分。当温度变冷之后不是不辐射，而是我们看不见，相比之下红外摄像机、胶片就能看到很多肉眼看不到的热辐射。那么当一个物体升温进而因为高温发热，会得到这样的推论，随着温度升高、辐射的增强，从红色变成蓝色的时候，应该是所有波段的都增强，但蓝色的短波段会增强更多，进而我们观察到的是蓝色，而不是红色部分。但是这个理论继续推论的话，会发现当温度继续升高后，紫外部分辐射出去的能量会越来越高而接近无线大，这显然与观测是不符合的，事实上是会衰减。

普朗克第一次提出能量是一份份传输的，并给出了量子的定义

    在1900年，普朗克给出了一个理论来解释这个现象，那就是把一个物体想象成为无数个谐振的小的振子的集合，辐射就是这些振子（就是今天我们知道的原子或是分子）的震动，它们的振幅是一定的，而频率可以从0到无穷大。当分割了物体之后，普朗克推导出来一个经验公式，这个公式里面，他首次提出，能量的传递不是人们想象当中的连续传递，而是一份份的传递，每一份是个很小的量，这个量是6.6260693×10-34焦耳·秒，这个量被称之为普朗克常数，每一份普朗克称之为“量子”。并且得到一个著名的方程：

    E=nhf

    在当时，科学界普遍认为的观点是普朗克得到的结论只是一种“数学技巧”。但是在5年之后的1905年，爱因斯坦用普朗克的理论解 释了光电效应，即一束光的能量也是一份份传输的，并且和频率相关，这个理论有点类似牛顿的光的颗粒说，但是结合了波的频率性质。

爱因斯坦的光电效应佐证了普朗克的量子理论

    至此，能量按照一份一份的传递的量子学说开始深入人心。而普朗克的量子理论、爱因斯坦的光电效应都获得了诺贝尔奖。

波尔、薛定谔、海森堡：量子理论的完善

    在那个物理大发现的时代，卢瑟福在1911年提出了原子核的结构理论。在这个模型当中，电子是围绕着原子核的中子、质子高速运动的。而在更早的1887年，通过金箔实验科学家就发现了电子，并且知道电子是围绕这个一个非常小的小核心在高速运动。但是在这里，按照经典物理学的解释，电子在运动的过程中，是要不断的辐射电磁波能量的，最终会导致它能量丧失、会坠入到原子核当中。这显然和实际的结果是不符合的。

波尔的电子轨道理论

光谱得到的电子轨道的分布

    当时这个问题困扰了无数的物理学家：电子是如何维持轨道的？波尔给出的理论是，电子的轨道是量子化的，就跟今天地球的同步卫星高度是36000公里一样，只占据特定的轨道，并且对单一元素进行光谱分析之后可以证实波尔的理论。德布罗意通过对波尔的学说进行解释，得到了著名的波粒二象性理论。波尔因为原子结构的理论获得了1922年诺贝尔物理学奖。

薛定谔

    薛定谔这个名字翻译的不错，笔者刚知道这名字还以为是中国人……他最著名的就是那个不知死活的猫的理论。作为一代物理宗师，薛定谔假设电子就是绕着原子核转的一种波，那么在数学上可以表达为一种波函数的方程，这就是著名的薛定谔方程，在波函数方程中，薛定谔给出了轨道的名称、轨道的形状以及轨道的倾角（后来泡利又给出了自旋）。而在1926年这位大神又证明了海森堡研究的矩阵力学的理论和他的波动力学是数学上等价的，但俩人的理论并不一样。薛定谔因为原子理论上的新发现，获得了1933年的诺贝尔物理学奖。

海森堡取得诺奖成果的时候才23岁

    薛定谔认为轨道是连续的，而海森堡的矩阵力学则认为轨道是不连续的，存在量子跃迁，薛定谔则认为海森堡的理论够愚蠢。当然神仙们因为理论不同打嘴架的事情我们普通人也就听个乐子。海森堡的理论认为，电子现在原子核外面，像一片云，可能的轨道有多个，每个轨道对于不同的量子数，因此我们无法知道电子具体在哪里，只能知道它在哪个轨道的概率，这被称之为“测不准原理”。海森堡的理论是对玻尔模型的进一步完善。海森堡提出这些理论的时候，只有23岁,可谓英雄出少年，他获得了1938年诺贝尔物理学奖。

争论了一辈子的波尔与爱因斯坦

    关于量子理论的部分我们就介绍到这里，只涉及了一个公式，基本是以讲故事的方式来叙述近百年前的伟人们带给这个世界的巨大发现。但是可以说波尔和爱因斯坦争论了一辈子，微观世界量子理论有效、宇宙尺度是相对论有效，并不相容，大统一理论是到现在也是没有征服的课题。

量子计算与量子计算机

    量子物理告诉我们有测不准原理，而量子还有很多有意思的特性，比如量子的叠加态、量子纠缠等等。在计算机的发展的过程中，上个世纪研究者开始研究利用量子的特性来进行计算的可能性。

硬盘的磁极NS改变只能存储一种状态

量子比特可以同时存储多个状态，比如3位的量子比特，就可以存储8种状态

    我们正在使用的计算机存储器，比如磁盘，用磁极的NS来代表0或是1两个状态。但是量子这里不是这样，量子叠加态的存在可以让它同时存储多个状态，比如磁盘上是非0即1，但量子比特可以同时存储0和1。如果一个量子存储器的位数很长，这里打比方是3位，那么传统的计算机只能表达101或是类似的一个数字，但在量子比特这里，是多个态叠加的，所以可以存储8位之内的多个数，以此为推论，如果量子存储器的位数够大，就能存储更恐怖的数，直到超过今天超级计算机的能力。

勒索病毒加密就用了RSA算法，目前暴力破解还不可能

    这让大规模的并行计算具有一定的可能性。这里要提到的是RSA加密算法。这个算法的原理很简单，用大质数做密钥，当数字足够大的时候，我们今天的传统计算机解密需要的时间会非常的长。比如要得到一个一百万位数字的密钥，过去的办法我们只能挨个试验，这让解密的过程非常慢，可能要几万年。但是量子计算力有个著名的Grove算法，可以一次搜索100万个数字，由于量子干涉会让上次的搜索影响下一次的结果，这样只要搜索1000次，就有一半的几率得到正确的结果，如果量子计算机可行，那么寻找答案的速度是几分钟。

量子计算机可能会加速蛋白折叠，让我们更快的找到合适的药物

    这是巨大的进步。比如过去有个项目叫做Fold@home，要在自家电脑后台跑一个小程序进行蛋白质折叠寻找新药，用量子计算机就可以很快的得到所有折叠后的可能，这让药物研发的速度会大大加快。正源于此，对于量子计算的研究一直在进行中，不过直到几年前，都还是处于理论推导的状态。

D-Wave与量子退火

    前面说的都是理论，而研究人员需要的是成品量子计算机。而第一个号称做出来量子计算机的，是一个加拿大的公司，名字叫做D-Wave。它使用了著名的量子退火进行计算，这个我们稍后介绍，关键是它的客户，包括了洛克希德-马丁、谷歌以及NASA。

喜马拉雅山脉哪里比较低？

量子计算相当于提供了这样的上帝视角，可以快速找到最低的地方

    这个量子退火算法说起来还有点麻烦。一般来说都是用寻找山谷最低的地方来解释。比如有一片山峰，哪里是最低的地方？笨办法自然就是一个地方一个地方的去量，看看哪里最低。但是也有可能是有个山峰比较高，它旁边的谷底距离顶峰高度差最大，但未必是最低处，那么这个地方就是局部最低，并非要找的目的地。但如果换个办法，坐太空飞行器，一眼可以比较多个地方，很快就能找到，量子退火算法就是利用量子的隧穿效应来寻找最优解。

D-Wave的机器，可以看到非常巨大

    而D-Wave的量子计算机只能运行量子退火一种算法，是针对性开发的机器，所以学术界很多时候并不认为这是完全的量子计算机。D-Wave的机器具有128个量子比特，用三维伊辛模型来设置我们给定的初始状态，也就是设置好初始位置和自旋，这相当于我们给计算机编程。然后添加一个磁场，让量子进入叠加状态，然后慢慢撤掉这次磁场（即所谓退火），最终得到的状态就是结果，这个过程中，大自然就会自己帮我们计算，这就是量子计算的神奇之处。同样的任务执行4000次，得到的最优解就是D-Wave的计算结果。

D-Wave的量子计算机大量都是液氦冷却装置

    当然，要达到量子退火状态的条件异常苛刻，D-Wave的机器工作温度是0.02开尔文，也就是说仅仅比绝对零度高一点点，所以庞大的机器里面大量元器件都是液氦冷却装置。

中国与光量子计算机

    在量子科学领域，来自中国科学技术大学的潘建伟院士及其团队一直走在全球的前沿，是中国科学界的骄傲，在最近几年，我们挺到了很多潘建伟院士团队所进行的前沿量子通信领域的报道，包括墨子号量子科学实验卫星，首次验证了超远距离两个纠缠光子依旧保持联络的理论预言。

《自然-光子学》杂志发表了中国团队10光量子比特的论文

    5月3号，中科院召开新闻发布会，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学教授王浩华研究组，近期在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。在光学体系方面，研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。在超导体系方面，研究团队打破了之前由谷歌、美国国家航空航天局（NASA）和加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）公开报道的九个超导量子比特的操纵，实现了目前世界上最大数目的十个超导量子比特的纠缠，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。相关系列成果发表于国际学术期刊《自然—光子学》和《物理评论快报》上。

    当然我们期待在未来我们能率先突破商品化的数十个量子比特的量子计算机，那样人类的计算领域会打开新的一页。

IBM与System Q

    IBM一直在前沿科技的研发上具有卓越的传统。5月17日，IBM的两个量子计算机平台在处理能力方面都取得了飞跃的成绩。该公司今日宣布，至目前为止功能最强大的两台量子计算机已经完成构建和测试成功。以研究和业务为重点的「Quantum Experience」通用计算机和原型处理器将最终构成“IBM Q”量子系统商用的核心。

IBM的量子计算系统研究，看结构和D-Wave的很像，应该也是需要冷却到很低的温度实现超导

著名的Github上，IBM关于量子计算的API

    IBM的量子计算机与D-Wave的不同，IBM希望开发出通用的量子计算机产品。能够进行通用的量子计算。并且IBM开放了量子计算的API，这样可以通过编程来调用IBM的量子云计算能力。

    药物和材料研究

    供应链和物流

    人工智能

    金融服务

    云安全问题

    以上就是IBM希望通过量子云计算平台来解决或是优化的问题。不过现在IBM的量子计算机还只到16-18量子比特的级别，距离理想的量子计算机还有些距离，这有点像当年的英特尔4004处理器，也需要进化。 

量子计算机是救世主吗？

    我们都知道今天的计算机集群已经非常快了，包括经常更新的Top500计算机排名。对于量子计算机来说，如果量子比特的位数不够，显然只有研究上的价值，还不能进行更有价值的计算，因为现在的计算机集群够大、CPU和GPU足够多、也可以模拟量子计算机的计算方式，当然这样并不经济也没效率。

不知道中美哪边能率先实现50量子比特的计算机商品化

    量子计算机的特色是量子比特的位数，前面说过中国的科学家团队将量子比特位数提升到了两位数，实现了10个超导量子，IBM则声明自己有16个。而根据国外的预计，量子比特达到50位，即可实现所谓“量子霸权”，科学界希望能在未来几年实现这个目标，在远期则希望达到百万位的量子比特。

抢夺量子计算的霸权，是今天前沿研究的焦点之一

    前面我们提到了若干量子计算的算法，但那些算法的提出到今天已经有年头了，目前也没有什么同等量级的重要量子计算算法出现。而且量子计算机领域更没有开发语言，所以现在说实用化还为时有些早，可能要十年时间才能成熟起来。

    半导体摩尔定律显然到了5-7纳米就遇到了瓶颈，这一天的到来已经指日可待，量子计算会接过这个大旗吗？而量子计算需要的超导环境，目前看显然不适合我们家里用。今天对于量子计算机的研究与发展，笔者看来颇似上世纪第一台计算机ENIAC诞生的时代，一切只是刚刚开始。

原文发布时间为：2017-05-22
本文作者：王征
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