量子計算、量子通訊在國內炒得很熱。其實也不但在國內，在國外也一樣。大家覺得超級計算機已經走到瓶頸，量子計算機也許是一條出路。本月IEEE Spectrum 2018/4月號發表Lee Gomes一篇長文，題目叫“Quantum Computing：Both Here and Not Here”比較詳細介紹了量子計算的現狀與未來。

薛定諤的貓，大家都聽說過，它同時既是活的，也是死的。現在追隨薛定諤的科學家也是在一種怪異的狀態，同時高興又驚駭。薛定諤思想的實驗現在進入創造量子計算機的時期，希望能做一些傳統計算機不能做的事。

2014/2/17時代雜志封面"無窮機器"，說它能解人類大部分復雜問題。此后許多雜志跟著這么夸張。科學家們希望表明量子霸權，即系統可以解決已有傳統計算機內存和處理器無法處理的問題。實際上，Google算法運行并沒有什么實際意義，不過是超出了目前傳統計算機的范圍。

建造量子計算機來解決現實世界的問題還需要許多年的研究。Google和IBM搞量子計算的工程師們說：量子夢境機要解決令計算困惑的問題也許要幾十年以后。即使在那時，也沒人期望量子計算機會取代傳統計算機。目前所有的量子計算機都是和傳統計算機一起完成預處理和后處理的步驟。許多傳統計算機可以很快執行的編程任務在量子計算機上可能更慢，即使與量子計算機配合的軟硬件均已齊備，也是如此。

在美國標準與技術研究院（NIST）多年研究量子后來轉到微軟的Stephen Jordan說：量子機器只對用今天的計算機需要大量資源投入的一類計算任務有用。

量子計算機的想法源于1981年諾獎獲得者、物理學家Richard Feynman的一次演說。他指出了用亞原子顆粒去模型化其他亞原子顆粒的形態的可能性。但是，一個關鍵的出發點是Peter Shor的一篇文章。他后來到了AT&T貝爾實驗室，現在MIT。他說如果量子計算機可以建造出來，它可以找到大數的質因子，從而戰勝通常使用的公鑰密碼系統。這種計算機將基本上打碎因特網。這就開啟了量子密碼的研究。美國安全部門很快就開始研究量子硬件。過去20年主要是政府花掉了幾十億美元。現在這個技術已經接近商業化，風險投資也已介入。所以，目前對量子的大肆宣傳并不奇怪。

量子計算機怎么工作呢？大家知道，量子的狀態不是用0和1能表達的。量子計算機建基于量子位，它是一個量子對象，有無窮個狀態，與是0或1的概率有關。任何東西，譬如電子、光子，只要帶有量子性質、能隔離、能控制，就可以作為量子位。

當量子位裝入計算機，它就得接觸某些機構，能給它傳遞電磁能量。為了運行一個特定的程序，計算機用一個精心設計的序列，譬如微波傳送，以一定頻率在一定時間去推動量子位。這些脈沖對應于量子程序的指令。每條指令使量子位的未測量狀態用特定方式卷入該過程。這些脈沖運作并不是針對一個量子位，而是針對系統中所有量子位，各量子位接收到不同的脈沖指令。量子計算機中的量子位通過一個所謂糾纏的過程進行交互，就像說話，聯系著它們的命運。量子計算機的研究者們關注的重點是任何用量子位有序狀態的變化去完成有用的計算。成千上萬的脈沖之后，程序完成，測量量子位得到計算的最后結果，從而使每一個量子位變成0或1，波形函數變成了量子機械。

這個過程很工程化，但必須保證在計算過程中量子位不被干擾。做到這一點非常困難。這就是為什么搞了這么多年，還只能做一二十個量子位，完成最簡單的算術運算。由于干擾，量子位極易發生錯誤。因此，量子位必須有冗余的備份。當一位出錯時，能用備份位糾正之。這種差錯校正在正規的計算機里面也有，但備份位的數量在量子系統中就多得多。工程師們估計，在可靠的量子計算機中。每一個量子位需要1000個備份位，或者更多。因為許多近代算法一開始就要上千的量子位，所以，有用的量子機器可能需要上百萬的量子位。

最近宣布的Google量子計算芯片只有72個量子位。能不能有用就決定于它們的差錯出現率有多高。Google的量子計算機團隊的先鋒是2014年從加州大學圣巴巴拉分校招來的。去年11月IBM宣布他們做了50量子位的計算機，INTEL宣布做出了49量子位陣列，還有新開的在加州伯克利的Rigetti，都依賴于特殊設計的芯片，用虛擬的超導電路環路使之具有了量子性。這些芯片必須保持在極低的溫度下，冷卻機制變得非常復雜，就像好萊塢的科幻電影道具，制造一個小系統。杜克大學物理學家Jungsang Kim和馬里蘭大學的Christopher Monroe新開一家公司IonQ，用完全不同的量子硬件結構。一個量子質點，即離子，懸浮在系統中，工作在室溫下。他們用鐿離子做了一個機器。微軟追求第三條途徑，叫拓撲量子計算，有理論承諾，但沒有建造出硬件。

所有這些系統都沒有做出被公眾接受的與量子有關的計算平臺。加拿大的D-Wave系統已經安裝在大公司里面，譬如Google和Volkswagen，但是，從量子計算的領域專家看來，D-Wave系統不能做任何傳統計算機不能做的事，也沒有達到任何量子加速。

看來Google-IBM-Rigetti的超導路線在硬件競賽中占了上風。但是，不知道哪一種會最終取得勝利，或者三種都能并存。量子編程者并不在乎誰獲勝，只要量子位好用就可以了。

量子計算的未知之一是機器增加量子位能有多快。對于傳統的計算機技術，摩爾定律保證兩年晶體管數可以翻一翻，但是，帶量子機器的復雜電子卻沒有如此的預測。許多工程師預期在最近的將來，可能會有帶少量量子位的機器，譬如幾百個量子位。因為光是基本顯示量子權威的機器可能提供不出什么有用的結果，而成熟的系統可能在許多年以后。所以，工程師們關注適當大小的量子系統上的算法能夠在近期實現。有人懷疑：量子計算機是否能夠在近期內解決現實世界的問題，或者用它來賺錢。我們需要更大的系統。

自從MIT的Shor開發了提取因子的算法，量子計算就與密碼學緊密聯系起來，但是，廢除因特網的密碼技術，使量子領域意識到Shor-worthy機器還有很長的路要走，而且，后量子密碼學還要對任何量子攻擊不受影響。現在NIST正在評估各種后量子密碼方案。

最近研究人員不只關注加密技術，在Feynman關于量子計算原始想法的指引下轉向研究用機器模型化原子和分子。在NIST量子算法Zoo里面模擬物理和化學，但代價比較高，譬如想象超導金屬在室溫下會怎么樣。

非理性的繁榮應該防止。馬里蘭大學物理學家和計算機科學家Andrew Childs預言，第一代量子計算機只能處理相當簡單的物理和化學問題。你可以用幾個比特位回答凝聚態物理里的問題，但是，弄懂高溫超導就需要很多比特位。

有了量子計算機，就要有越來越多的優化，實踐的程序員得到實惠越多，他們的算法就會越好。這就是為什么IBM的量子機器放到網上，讓研究人員隨便改。我們需要可用的量子機器和算法的改進，需要上萬的學生來促進這一領域。經典計算已經100年了，我們不希望還在電子管時代。希望還在，但路還很長。看下面的圖片即可略知一二。

圖1：IBM和Google的量子計算機需要冷卻到接近絕對零度才能工作，此冷卻是用一個稀釋冰箱。下面是其框圖。

圖2：谷歌是用超導量子處理器，譬如下面的22個比特位排成兩行。

圖3：IBM用16比特位量子處理器去驅動IBM公用平臺，探索量子計算。

圖4：去年一月，INTEL宣布制造出49量子位的超導量子計算處理器，被稱為Tangle lake。

圖5：2016年IonQ演示一個可以工作的5量子位計算機，用激光處理設備中的鐿離子阱。

圖6：在加州伯克利剛開張的Rigetti最近開始制造19量子位超導處理器芯片。