相信大多數(shù)人都已經(jīng)被類似“中國量子計(jì)算機(jī)誕生，創(chuàng)世界紀(jì)錄”的文章刷屏。這是因?yàn)榕私▊ソ淌诩捌渫略凇蹲匀?a class="innerlink" href="http://www.jysgc.com/tags/光子學(xué)" title="光子學(xué)" target="_blank">光子學(xué)》期刊發(fā)表了一篇關(guān)于高效多光子玻色取樣的論文。另外，在三月份的時(shí)候，潘建偉教授等人還在論文預(yù)印網(wǎng)站arxiv.org發(fā)表了兩篇關(guān)于超導(dǎo)體系中首次實(shí)現(xiàn)十個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，以及快速求解線性方程組的量子算法[3]的論文，后者將會(huì)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》。

那么究竟什么是量子計(jì)算機(jī)？潘建偉團(tuán)隊(duì)制造出世界上第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)了么？

故事要回到1981年。當(dāng)時(shí)，理論物理國際期刊收到了一篇題為《利用計(jì)算機(jī)模擬物理學(xué)》的論文：

△ 費(fèi)恩曼在1981年提交的論文中提到了量子計(jì)算機(jī)。（圖片來源：Feynman）

這篇論文的作者是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主費(fèi)恩曼，他在論文中首次提到了一種全新的計(jì)算機(jī)——量子計(jì)算機(jī)（Quantum Computer）。

什么是量子計(jì)算機(jī)？

我們正在使用的計(jì)算機(jī)（為了便于區(qū)分，下面我都稱之為經(jīng)典計(jì)算機(jī)）的操作嚴(yán)格遵守著邏輯法則。但是微小的量子物體，比如電子、或光子等，可以打破這些規(guī)則。

基于這些打破經(jīng)典的量子規(guī)則，量子計(jì)算機(jī)的想法就此孕育而生，它以一種全新的方式處理信息。使它們的運(yùn)算速度在某些方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要呈指數(shù)增加。

△ 量子計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)安全造成了巨大的威脅。（圖片來源：BGR）

舉個(gè)例子，量子計(jì)算機(jī)可以輕而易舉的就破解信息安全機(jī)制。現(xiàn)在你查看的郵件和銀行數(shù)據(jù)都是由安全機(jī)密系統(tǒng)所保護(hù)著的，借由你給所有使用者不同組的公開密匙來加密只有你能解密的信息。比如現(xiàn)在應(yīng)用最廣的RSA 加密方式 （由Ronald Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman）是基于一個(gè)簡單的共識(shí)：即基于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算法則下，分解整數(shù)的質(zhì)因數(shù)過程是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過程。分解一個(gè)整數(shù)N，需要 N^(1/2) 量級(jí)的運(yùn)算次數(shù)。當(dāng)這個(gè)數(shù)字的位數(shù)（在二進(jìn)制下）足夠多時(shí)，這個(gè)分解的過程就變得不可能，數(shù)據(jù)加密就無法被解密。但如果應(yīng)用基于量子計(jì)算邏輯的 shor's algorithm（見下文），整個(gè)分解的過程就會(huì)被縮減位log?N量級(jí)的運(yùn)算次數(shù)，這就意味著目前最安全的加密方式，幾分鐘就可以破解，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要永遠(yuǎn)。但通過量子計(jì)算機(jī)，迅速破解信用卡、國家機(jī)密和其它機(jī)密資料都不在話下。

量子計(jì)算機(jī)可以取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)嗎？

當(dāng)我們說量子計(jì)算機(jī)的處理速度要比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快許多的時(shí)候，的確，這很容易讓人誤解如果科學(xué)家成功研制出量子計(jì)算機(jī)，是否就可以取代現(xiàn)在我們所使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

△ 量子計(jì)算機(jī)并不是完全“量子”的，它仍需要一堆電子設(shè)備來完成基本工作。（圖片來源：Naoya Fujishiro）

而事實(shí)是，量子計(jì)算機(jī)并不是在任何情況下都比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更加快，而只有在特定的任務(wù)中才會(huì)表現(xiàn)的非常出色。如果你只是想看高清的影片、瀏覽網(wǎng)頁或處理文件，量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)帶來什么進(jìn)步。量子計(jì)算機(jī)的處理速度更快的魔法并不在于它處理各個(gè)步驟的速度加快了，其關(guān)鍵在于它減少了處理步驟的數(shù)量（下文有更多討論），不過只有在特定的計(jì)算中才是這樣。所以，它無法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

某種程度上說，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的關(guān)系，就好像激光和白熾燈的關(guān)系。我們不會(huì)用激光去取代白熾燈進(jìn)行照明，但同樣的白熾燈也無法取代激光在我們?nèi)粘Ｉ钪兴〉降母鞣N作用。比如：我們每天使用的寬帶網(wǎng)絡(luò)，就是基于激光能在在光纖中的長距離傳輸。

那量子計(jì)算機(jī)可以用來干嘛？

量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該會(huì)被大量的應(yīng)用在政府組織、研發(fā)公司和大學(xué)之中，用以解決目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

△ 1981年，費(fèi)恩曼在他的論文中首次提出了量子計(jì)算機(jī)，并且可以用于模擬量子系統(tǒng)。（圖片來源：Feynman）

當(dāng)費(fèi)恩曼提出量子計(jì)算機(jī)時(shí)，就想到了它的第一個(gè)實(shí)際用途：模擬量子系統(tǒng)。為什么不用量子計(jì)算機(jī)來模擬量子物理呢？這是一個(gè)絕妙的想法。至少它會(huì)對(duì)化學(xué)和生物學(xué)產(chǎn)生重大影響。例如，化學(xué)家可以準(zhǔn)確地模擬藥物間的相互作用，而生物學(xué)家則可以研究蛋白質(zhì)折疊的所有可能方式，以及它們之間的作用等。

雖然起初對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究純粹只是出于學(xué)術(shù)上的好奇，但到了1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家彼得·肖爾（Peter Shor）提出了大數(shù)因數(shù)分解的算法（大數(shù)因素分解是指大數(shù)字的質(zhì)因數(shù)分解，如下圖中的例子），才激發(fā)了人們對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究熱情和興趣。一個(gè)非常大的數(shù)字，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)十億年的時(shí)間將它分解，但通過肖爾的方法只需要幾個(gè)小時(shí)就可以解開。

△ 15的質(zhì)因數(shù)是3×5，91的質(zhì)因數(shù)是7×13，一個(gè)具有232位的數(shù)字的質(zhì)因數(shù)又是多少？（圖片來源：Jose-Luis Olivares/MIT）

量子計(jì)算機(jī)在識(shí)別數(shù)據(jù)的模式上也有巨大的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)問題很有用，比如可以識(shí)別在圖像中的不同物體。它們也可以被用以建立預(yù)測(cè)未來的模型，如長期的天氣預(yù)測(cè)。

這些只是一些可以預(yù)見的用途，但最終，量子計(jì)算機(jī)的能力是無法被預(yù)測(cè)的。回到1943年，IBM公司的總裁托馬斯·沃森宣稱：“我認(rèn)為全世界只需要差不多五臺(tái)計(jì)算機(jī)。” 現(xiàn)在家家戶戶可能都有五臺(tái)。

而量子計(jì)算機(jī)的潛力，也是無法想象的。

量子計(jì)算機(jī)是如何運(yùn)作的？

經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的芯片包含模組，模組包含邏輯門，邏輯門包含晶體管。晶體管代表著計(jì)算機(jī)的處理器里一個(gè)最簡單的形態(tài)。簡單說是個(gè)可以阻擋、通過信息的開關(guān)。我們用 “開”，存儲(chǔ)數(shù)字 1，用關(guān)，存儲(chǔ)數(shù)字 0 。每個(gè) 0 或 1 代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字（即比特）。比特代表著信息的最小單位。

△ 比特只能儲(chǔ)存 1 或者 0 ，而量子比特可以同時(shí)儲(chǔ)存多個(gè)值。（圖片來源：https://universe-review.ca/R13-11-QuantumComputing.htm）

而量子計(jì)算機(jī)用來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的對(duì)象是“量子比特”，它可以儲(chǔ)存 0 或 1。但瘋狂的是，量子比特也能達(dá)到混合狀態(tài)，稱之為“疊加態(tài)”。也就是說，量子比特能同時(shí)存儲(chǔ) 1 或 0 或者既是 1 又是 0，它代表著 0 和 1 之間所有可能的疊加狀態(tài)。這種模糊性——可以同時(shí)“是”和“不是”——正是量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特魅力。

雖然你無法預(yù)測(cè)量子比特會(huì)處于哪個(gè)狀態(tài)，但當(dāng)你測(cè)量它的瞬間，它將會(huì)坍縮成一個(gè)固定的狀態(tài)。

量子疊加態(tài)的性質(zhì)是如何改變游戲規(guī)則的？

經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的根本區(qū)別在于它們解決問題的方式。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決一個(gè)問題的方式就類似于你試圖逃離一個(gè)迷宮——嘗試所有可能的走道，途中會(huì)遇到死路，直到你最終找到出口。而疊加態(tài)的魔力則在于，它允許量子計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間嘗試所有的路徑，也就是說，它會(huì)迅速的找到一條捷徑。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的兩個(gè)比特可以有四種不同的組合（即 00、01、10或11），但它們每次只能處于其中的一個(gè)狀態(tài)。這就限制了計(jì)算機(jī)的處理速度，就好像在迷宮中要嘗試一個(gè)個(gè)走道。

△ 四個(gè)比特有16種不同的組合，但一次只能代表其中的一個(gè)。（圖片來源：Kurzgesagt ）

在量子計(jì)算機(jī)中，兩個(gè)量子比特同樣也有四種態(tài)（00、01、10或11）。不同的是，由于疊加態(tài)，兩個(gè)量子比特可以同時(shí)處于這四種狀態(tài)。有點(diǎn)像四臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)同時(shí)并行工作。

如果在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中增加更多的比特，它依舊只能在一個(gè)時(shí)間內(nèi)處理一個(gè)態(tài)。但是當(dāng)你增加量子比特時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的能力就會(huì)以指數(shù)式增長。從數(shù)學(xué)上來說，如果有“n”個(gè)量子比特，就可以同時(shí)代表2的n次方個(gè)態(tài)。

在一個(gè)著名的傳說中，國際象棋的發(fā)明者印度人塞薩（Sessa）向他的國王請(qǐng)求賞賜，他說，希望因?yàn)榘l(fā)明國際象棋棋盤的第一個(gè)格而得到一粒米，因?yàn)榈诙€(gè)格得到兩粒米，因?yàn)榈谌竦玫剿牧Ｃ祝绱嗽诿亢笠粋€(gè)格都增加一倍的米量。國王欣然答允，事后才意識(shí)到即使整個(gè)國庫的米也無法填滿整個(gè)棋盤啊！這便是指數(shù)級(jí)增長的力量。

△ 20個(gè)量子比特就可以平行存儲(chǔ)約100萬個(gè)數(shù)值。（圖片來源：Kurzgesagt ）

就像上面的每一個(gè)格增加一倍的米量，每一個(gè)額外的量子比特都把處理能力翻倍。三個(gè)量子比特可以同時(shí)代表8（= 2?）種狀態(tài)；四個(gè)量子比特則可以同時(shí)代表16（=2⁴）種狀態(tài)。64個(gè)呢？你會(huì)得到18,446,744,073,709,600,000（=2⁶⁴）的可能！

雖然64個(gè)比特也代表了2??種狀態(tài)，但它一次只能代表其中一種。要循環(huán)所有這些組合，一臺(tái)現(xiàn)代的個(gè)人計(jì)算機(jī)需要400年的時(shí)間。

所有這些都體現(xiàn)出了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。雖然目前它無法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言“幾乎不可能的任務(wù)”，量子計(jì)算機(jī)都可以解決。

除了量子疊加態(tài)，還有其它重要性質(zhì)嗎？

但為了得到指數(shù)式的計(jì)算速度，所有的量子比特都必須通過一種叫做“量子糾纏”的過程聯(lián)系在一起。愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅般的超距作用”（詳細(xì)討論可閱讀《宇宙貝爾實(shí)驗(yàn)》）。

△ 糾纏的兩個(gè)粒子。起初兩個(gè)粒子處于自旋向上或向下的狀態(tài)，一旦知道了其中一個(gè)自旋狀態(tài)，我們就立即知道另一個(gè)的自旋狀態(tài)，無論相距多遠(yuǎn)。（圖片來源：Jen Christiansen）

舉個(gè)例子，在上圖中，起初被糾纏的兩個(gè)粒子都處于自旋向上或向下的疊加態(tài)。一旦我們通過測(cè)量知道了第一個(gè)粒子的自旋是向上的，那么第二個(gè)粒子的自旋肯定向下，即使它們相隔宇宙的兩端。當(dāng)有多個(gè)量子比特被糾纏的時(shí)候，對(duì)其中的一個(gè)量子比特的操作就會(huì)瞬時(shí)影響所有其它的量子比特，就意味著空前的并行運(yùn)算能力。

量子霸權(quán)（通用量子計(jì)算機(jī)）

一般認(rèn)為需要50個(gè)量子比特，才能證明量子霸權(quán)超越經(jīng)典邏輯計(jì)算機(jī)的極限 ，即有真正的實(shí)用價(jià)值，并讓它們結(jié)合起來成為可儲(chǔ)存和可操作的量子處理器。

50個(gè)邏輯量子比特就可以描述量子霸權(quán)，而要這50個(gè)邏輯量子比特穩(wěn)定的工作需要幾千個(gè)物理量子比特去實(shí)現(xiàn)誤差校正，即去維持量子疊加態(tài)，需要巨大的物理資源。

即使在超低溫下，環(huán)境因素的影響降到最低，不同量子比特的相互作用，也會(huì)讓量子比特丟失量子相干性，而一切量子計(jì)算機(jī)都是基于量子相干性。而且量子比特的數(shù)量越多，相互之間的作用就更不可控。 所以即使增加一個(gè)邏輯量子比特也是很艱巨的任務(wù)。

當(dāng)然，這是在通用量子計(jì)算模型下，證明量子霸權(quán)。由Aaronson和Arkhipov于2013年提出，是一種基于線性光學(xué)的量子計(jì)算機(jī)模型，雖然是非-通用的模型，但是在取樣和尋找問題方面可以體現(xiàn)量子霸權(quán)。 而這種模型的優(yōu)勢(shì)就是，所需要的物理資源大大減少。

△ 單一的光子是一種量子比特，0 和 1 可能存在的狀態(tài)就像是光子橫向或縱向的偏振，在量子世界，光子可以同時(shí)表現(xiàn)出所有的偏振狀態(tài)。直到你把一個(gè)光子送到濾光器，它必須決定自己是縱向或橫向偏振。（圖片來源：Kurzgesagt）

而潘建偉團(tuán)隊(duì)做的玻色采樣，即是在光子平臺(tái)上，對(duì)這一模型的實(shí)現(xiàn)。他們通過電控可編程的光量子線路，首次在國際上實(shí)現(xiàn)5光子玻色采樣。他們的結(jié)果表明，該原型機(jī)的取樣速度比國際同類實(shí)驗(yàn)加快至少24000倍，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10-100倍。可以說這是歷史上第一臺(tái)超越最早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)。

△ 光量子計(jì)算原型機(jī)。（圖片來源：中青報(bào)·中青在線）

此外，科學(xué)家也利用超導(dǎo)線路中的電磁振蕩作為量子比特。這些作為量子比特的線路可以取值 0（沒有光子通過）或 1（有微波光子）。先前谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱，但這一記錄已被潘建偉團(tuán)隊(duì)打破。此次他們研發(fā)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特的線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測(cè)量。

目前，世界各大實(shí)驗(yàn)室都競(jìng)相在研發(fā)第一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)“量子霸權(quán)”的量子計(jì)算機(jī)。究竟誰會(huì)拔得頭籌，我們拭目以待。