隨著計算機技術的狂飆突進式發(fā)展，軟件與硬件逐漸分離，底層硬件逐漸標準化，發(fā)展會越來越受限制，而量子計算則有望成為新的突破口。 舉例來說，用一個破譯案例分別讓傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機和量子計算機同時去破譯。經(jīng)典計算機需要用上100年才能破譯的密碼，而量子計算機用1秒鐘就能攻破。

看似遙不可及的量子計算機正在2020加速大踏步：2020年6月和8月，兩家科技巨頭先后宣布其64量子體積的量子計算機性能全球第一；2020年9月，中科院院士潘建偉教授宣布團隊已經(jīng)完成對50個光子的玻色取樣。當21世紀結(jié)束的時候，本世紀或許將會被總結(jié)為“量子計算”的世紀。本文，我們將為你呈現(xiàn)人類在量子計算領域的不懈探索，以及其未來的應用方向。 2020年，[紅杉匯]推出全新欄目“紅杉愛科學”，將更多地把目光投向前沿科技領域，追尋現(xiàn)象背后的深層次答案，聚焦硬科技最新突破，探索關乎人類生存方式的科技進展。

什么是量子？

量子不是一種粒子，它在多數(shù)情況下是一個形容詞而不是名詞。它也不是指分立、不連續(xù)，而是一套自然規(guī)律的總稱——這套規(guī)律是人類現(xiàn)有認識范圍內(nèi)物質(zhì)世界的“基本法”。 用個類比：古時侯人們就懂得萬物生長靠太陽、種田栽樹要澆水施肥，這些都是農(nóng)作物生長的規(guī)律；而現(xiàn)在我們知道，這些綠色植物生命活動的本質(zhì)是細胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化學過程。

物理世界也是如此。我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的各種力、熱、電、光現(xiàn)象大多可以用建立于十七到十九世紀的經(jīng)典物理學解釋；但進入二十世紀后，科學家們發(fā)現(xiàn)世界是由原子組成的，如果想從分子、原子水平上更本質(zhì)地理解自然現(xiàn)象，就必須引入一套與經(jīng)典物理很不一樣的新規(guī)律，這就是量子力學。 量子物理是人類迄今為止建立的最基礎、最精確的科學理論，現(xiàn)代物理學的主體就是量子力學在各種不同物質(zhì)尺度上的具體延伸和應用。然而，依人們?nèi)粘５慕?jīng)驗和直覺來看，這套規(guī)律非常詭異，尤其是下面三點： 量子疊加 (quantum superposition)：在量子世界中，物體可以同時處于不同狀態(tài)的疊加上。從另一個角度說就是“波粒二象性”。

量子糾纏(quantum entanglement)：在量子世界中，相互作用的物體之間存在著一種不受距離限制的、用任何經(jīng)典規(guī)律都無法解釋的關聯(lián)。這種關聯(lián)攜帶著信息，使得發(fā)生糾纏的各個物體處于一種不可分割的整體狀態(tài)，不能分別描述。 量子測量 (quantum measurement)：量子世界中不存在安靜的暗中觀察者，測量不是被動地讀取信息，而會根本地改變被測物體的狀態(tài)。量子測量的這種必須干擾被測物體的詭異屬性使得人們從量子系統(tǒng)中獲取信息變得極其困難。 量子力學正式建立距今已有九十多年，是一套相當成熟的科學理論，但“如何控制量子物體”的研究卻一度進展地相當緩慢。相比于對微觀世界的認識，人類在實驗上控制、測量量子系統(tǒng)的能力還相對落后，由此導致的結(jié)果是，人類對量子力學的應用至今仍非常初級。

什么是量子計算機？

量子計算機不是“下一代計算機”，不是電子計算機的升級版，而是科學家構(gòu)想中的一種高度復雜、高度可控的人造量子系統(tǒng)，是人類當前設想中最復雜、實現(xiàn)難度最大的量子機器。 科學家預測，經(jīng)典計算機未來仍將承擔收發(fā)郵件、視頻音樂、網(wǎng)絡游戲等功能，而量子計算機則將用于解決大型分子模擬、尋找大數(shù)質(zhì)因數(shù)等經(jīng)典計算機無法模擬的領域，并在 AI 計算領域?qū)鹘y(tǒng)算力進行提升。

量子計算機基于量子疊加和量子糾纏等原理制成。可以由著名的“薛定諤的貓”來理解——箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的，但在量子世界中，它可以同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。 將一只貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。但是，不可能存在既死又活的貓，那么必須在打開容器后才知道結(jié)果。 當我們打開密閉容器后，貓就不再處于疊加狀態(tài)，而是死貓或者活貓的唯一狀態(tài)。同樣，量子計算機在經(jīng)過量子算法運算后每一次測量都會得到唯一確定的結(jié)果，且每一次結(jié)果都有可能不相同。 雖然量子計算機每一次的測量結(jié)果都類似“上帝擲骰子”會發(fā)生不同，但是只要量子算法設計合理，量子計算機運算結(jié)果中出現(xiàn)概率最大的結(jié)果就是正確結(jié)果。

面對較為復雜的計算問題，經(jīng)典算法需要進行各態(tài)遍歷等重復操作，算法的復雜度較高，而量子算法則能較快得到結(jié)果，只需少數(shù)測量取樣得到計算結(jié)果概率即可知道正確結(jié)果。 量子計算的原始概念可以追溯至上世紀70年代，那時經(jīng)典計算機行業(yè)剛剛進入騰飛階段。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較好的一種方式，這是量子計算最早的火花。 在1982年發(fā)表的一篇論述使用計算機模擬量子系統(tǒng)的論文中，諾貝爾獎得主、理論物理學家費曼認為，在經(jīng)典計算機上模擬量子力學需要指數(shù)級的硬件投入，而他給出的建議則是，使用量子計算機。 1994年，貝爾實驗室的休爾發(fā)布了一篇論文，一下子讓量子計算的概念大放異彩。在這篇論文中，他展示了量子算法分解一個1000位的質(zhì)因數(shù)所需要的時間，傳統(tǒng)計算機大約需要10萬萬兆年的時間，而量子計算機的話只需要20分鐘就可以做到。這樣的對比，讓量子計算的概念迅速傳播開來。

在1998年，英國牛津大學的研究人員宣布他們在量子計算領域獲得了突破性進展，可以實現(xiàn)兩個量子比特來進行信息的運算。時間快進到2017年，IBM 證明了用50個量子比特來進行計算是可行的。在20年的時間內(nèi)，量子比特的數(shù)目提升了25倍。 2019年10月底，谷歌宣布其名為Sycamore的53位芯片已經(jīng)成功實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”（Quantum Supremacy），可以在200秒內(nèi)完成世界上最快的超級計算機IBM Summit需要10,000年才能完成的計算。《紐約時報》將谷歌這次獲得的研究成功與萊特兄弟的飛機首飛所取得的成就相提并論。 近年來，國內(nèi)關于量子計算的嘗試也取得了極大成果：2016年長征二號丁運載火箭發(fā)射升空，中國發(fā)射出了全球首顆設計用于進行量子科學實驗的衛(wèi)星“墨子號”；2020年9月，中科院院士潘建偉教授宣布團隊已經(jīng)完成對50個光子的玻色取樣，相比谷歌此前的“量子優(yōu)越性”快100萬倍。

量子計算機如何應用？

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院認為，對于量子計算元年的到來仍然無法精確預測，但可以想象的是生物醫(yī)藥、化工行業(yè)將在量子元年應用市場中占據(jù)較大規(guī)模。隨著時間的推移，搜索、機器學習等市場占比將逐步擴大，成為量子計算應用領域的主流。 ?生物醫(yī)藥 量子計算可集中應用于藥物研發(fā)中期，理由有如下三點。

其一，藥企擁有大量研發(fā)費用，并且已經(jīng)形成外包合作的研發(fā)習慣和模式。 其二，據(jù)部分制藥行業(yè)高管預估，量子模擬可將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5-10%，并節(jié)約15-20%的研發(fā)時間。同時，更優(yōu)的分子設計將使藥物審批率提高1.5到2倍。傳統(tǒng)新藥開發(fā)主要通過試驗篩選分子庫，消耗大量金錢時間。而通過計算機進行分子模擬，經(jīng)典計算機壓力已經(jīng)顯現(xiàn)，以現(xiàn)有人類的計算能力模擬量子化的原子消耗的時間成本較大。 其三，藥物研發(fā)大致分為三大流程：前期和后期涉及生物學基礎理論和臨床反饋對計算資源依賴較少，而研發(fā)中期存在大量模擬計算，成為量子計算可以切入的市場。 ?化工能源 研發(fā)環(huán)節(jié)中的工業(yè)設計和催化劑有望較早應用量子計算；光伏行業(yè)的宏觀環(huán)境有望應用量子計算。

化工企業(yè)擁有大量研發(fā)費用，并且也形成某些環(huán)節(jié)外包合作的研發(fā)習慣和模式。但化工企業(yè)利潤水平不如醫(yī)藥，只有在5億規(guī)模以上才可能有研發(fā)部門。因此量子計算短期內(nèi)只能應用于世界頂級的化工企業(yè)或其資助扶植的科研機構(gòu)。科學家認為，工業(yè)設計和催化劑兩個環(huán)節(jié)是量子計算最有應用前景的環(huán)節(jié)。 光伏行業(yè)的外包研發(fā)習慣尚待培育，量子計算將從宏觀環(huán)境要素的計算需求入手。在“生產(chǎn)制造-布設電站-銷售經(jīng)營”的鏈條中，元件制造和宏觀環(huán)境要素這兩個方向具有計算需求。但前者太陽能電池板制造技術相對成熟，各方改善的意愿不強；后者基于利潤改善、商業(yè)模式創(chuàng)新等綜合需求具有宏觀整合上的應用前景。

金融工程 量子優(yōu)化、機器學習、量子加速蒙特卡羅算法將成為三大量子金融計算應用方向。 量子計算將解決金融公司未來對增加計算能力的需求，同時比傳統(tǒng)計算機消耗更少的能源。量子計算將幫助金融公司發(fā)現(xiàn)并利用市場中目前看不見的模式。 量子優(yōu)化：量子退火為經(jīng)典計算機難以解決的最優(yōu)化問題提供更好的解決方案，可以為執(zhí)行大額交易指令提供最佳交易路線，為同一資產(chǎn)在不同市場不同價格中提供最佳套利機會。

機器學習：量子PCA算法可極大拓寬主成分分析的適用范圍，以指數(shù)速度在無法使用傳統(tǒng)方法時估計風險和最大利潤。同時，量子神經(jīng)網(wǎng)絡的隱馬爾可夫模型可以為股價提供更好更快的預測。 量子加速蒙特卡羅算法：量子計算可以為衍生品定價、風險分析的蒙特爾卡羅方法進行二次計算，降低計算成本和時間。

數(shù)字安全 非對稱加密算法在互聯(lián)網(wǎng)后端技術中常用于登錄、數(shù)字簽名、數(shù)字證書認證等場景，是計算機通信安全的基石。RSA等非對稱加密算法的秘鑰長度通常在2048位及以上，實質(zhì)為大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解等數(shù)學難題，無法被現(xiàn)有技術破解。 Shor量子算法已從理論上證明可以加速大數(shù)質(zhì)因數(shù)的分解，科學家認為其未來有望加速密碼破解。據(jù)估計，依現(xiàn)有糾錯能力需百萬級位數(shù)以上物理量子比特方能完整運行Shor算法破解加密算法，而迄今量子計算機的物理量子比特數(shù)最多不過在幾十位至5000位（D-Wave的Advantage系統(tǒng)宣稱具有5000位物理比特）。 量子計算能做的事情還有待長時間地發(fā)掘，但量子計算的研究過程將是人類物質(zhì)科學和工程的一次本質(zhì)進步。

它第一次試圖在量子水平上構(gòu)造、控制物質(zhì)系統(tǒng)，在探索自然的同時極大地擴展了人類工程實踐的范圍，上次邁出這樣一大步也許要追溯到電氣和核能。 人們現(xiàn)在拼命尋找的量子計算機的各種應用可能都不是最重要的，就像17世紀的人想象不到什么是手機一樣，我們現(xiàn)在也不知道當人類能自如人造控制量子系統(tǒng)之后能做多么不可思議的事情。 盡管真正實用的量子計算機還比較遙遠，但量子計算仍是當前最重要的科技問題之一，它承載著人類對科技的想象和探索的勇氣，就像上世紀人類對太空發(fā)起挑戰(zhàn)時說的“We choose to go to the moon”。

來源： 《2020已過大半，量子計算機發(fā)展如何了？》The Affluent Society 《深度好文｜當前量子計算技術前沿是什么水平？》第五智庫 《量子計算，下一個必爭之地》騰訊研究院

原文標題：2020接近尾聲，量子計算機還是遙不可及的夢想嗎？| 紅杉愛科學

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責任編輯：haq