近年來，量子信息學(xué)發(fā)展迅速，因其強大的能力、廣泛的應(yīng)用前景而被視為“決定未來的技術(shù)”。它涵蓋量子計算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域，由此量子技術(shù)成為了當(dāng)下世界各國新興技術(shù)競爭的焦點。

10月7日，美國國家量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《量子前沿》（Quantum Frontiers）報告，列出了八項重點聚焦的前沿方向：擴大量子技術(shù)造福社會的能力；建立量子工程學(xué)科；瞄準(zhǔn)服務(wù)于量子技術(shù)的材料科學(xué)；通過量子模擬探索量子力學(xué)；利用量子信息技術(shù)進(jìn)行精密測量；用于新應(yīng)用的量子糾纏的產(chǎn)生和分發(fā)；表征和減少量子體系的錯誤率，邁向容錯量子計算；通過量子信息理解宇宙。加拿大國家研究委員會指出，到2040年，量子技術(shù)將產(chǎn)生規(guī)模1424億美元的產(chǎn)業(yè)，并提供大量就業(yè)機會和政府財政。10月6日，加拿大成立量子工業(yè)聯(lián)盟（Quantum Industry Canada），旨在確保加拿大的量子創(chuàng)新和科研成就能夠轉(zhuǎn)化為加拿大的商業(yè)成功和經(jīng)濟繁榮。

人們對計算能力的需求日益增長，傳統(tǒng)計算模式面臨巨大挑戰(zhàn)，而量子計算因其遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機的計算能力而受到很大重視。關(guān)于量子計算進(jìn)展的新聞也時常吸引讀者的注意，例如近期的進(jìn)展新聞：霍尼韋爾公司和IonQ公司接連發(fā)布量子體積更大的量子計算機，號稱推出“世界最強的量子計算機”；SQC公司提出可以實現(xiàn)硅原子雙量子比特99.99%的超高保真度。

那么，量子計算的精髓到底是什么？除量子比特數(shù)目之外，還有哪些性能對量子計算至關(guān)重要？建造實用的量子計算機為什么如此困難？“潘之隊”超導(dǎo)量子計算負(fù)責(zé)人朱曉波教授為大家解惑。

本文整理自墨子沙龍“未來趨勢：量子互聯(lián)網(wǎng)”活動朱曉波教授的報告。

大家好，非常高興與大家分享量子計算的知識。因為在座的有許多的高中生、初中生，甚至小學(xué)生，所以，我將花更多的篇幅介紹量子計算的相關(guān)背景知識，希望通過我的報告，讓大家更多的了解什么是量子計算，以及現(xiàn)在的量子計算前沿走到了哪一步。

經(jīng)典力學(xué)

首先我們來回顧一下經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容。初中生或高中生，只要有過一定物理基礎(chǔ)的人都學(xué)過牛頓力學(xué)，也就是經(jīng)典力學(xué)。牛頓力學(xué)是一項偉大的發(fā)現(xiàn)，之后人類開始可以精確描述我們的世界，物體的運動可以被預(yù)測。比如，我們可以通過牛頓力學(xué)描述月球圍繞地球的運動，以及地球圍繞太陽的運動，并預(yù)測月食、日食等。人們僅僅通過牛頓力學(xué)公式和萬有引力公式這樣兩個簡單的公式，就可以把我們?nèi)粘Ｓ^測到的世界描述清楚了。于是，到了上個世紀(jì)初，人們開始覺得物理學(xué)已經(jīng)趨于完美了，物理學(xué)家就要失業(yè)了，已經(jīng)沒有更多新的東西需要物理學(xué)家們?nèi)ヌ剿髁恕?/p>

不過在物理學(xué)的上空，還飄著“兩朵烏云”，這“兩朵烏云”是牛頓力學(xué)或者說經(jīng)典力學(xué)所解決不了的。后來大家知道，這“兩朵烏云”，一朵導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，一朵導(dǎo)致了相對論的誕生。愛因斯坦是天才，他提出了同樣天才的相對論，而量子力學(xué)更加深奧難懂，它幾乎聚集了上世紀(jì)人類所有偉大的物理學(xué)家們的智慧。如果你缺乏相關(guān)的數(shù)學(xué)知識與背景，很難依據(jù)日常世界經(jīng)驗去真正的理解“什么是量子力學(xué)”。但是如果我們從微觀世界的物理現(xiàn)象出發(fā)，會發(fā)現(xiàn)它并沒有那么難。量子力學(xué)的特點即是認(rèn)為：微觀世界是量子化的，不連續(xù)的，擁有不可分的最小單元，比如光子。

量子力學(xué)

舉一個簡單的例子。大家都知道，物體是由分子、原子構(gòu)成的，原子可以分為原子核與核外電子，電子圍繞著原子核轉(zhuǎn)動。那么，我們思考一個問題，電子是如何圍繞原子核轉(zhuǎn)動的呢？它是像地球繞著太陽那樣轉(zhuǎn)嗎？答案是否定的，如圖所示，核外電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動具有分立的固定能級，它只能在某些分立的特定能級上運動，這些都是物理觀測結(jié)果。

數(shù)學(xué)與物理學(xué)是相反的，數(shù)學(xué)更專注于邏輯，它通過假定幾條公理，可以推到出一系列的數(shù)學(xué)結(jié)果。但是物理學(xué)不一樣，物理學(xué)更尊重物理事實，即觀測結(jié)果，我們不能因為觀測結(jié)果與理論不符，就否定觀測結(jié)果。當(dāng)物理學(xué)家們觀測到微觀世界的原子行為與描述宏觀世界的經(jīng)典力學(xué)不符時，物理學(xué)家們也非?？鄲溃麄儾恢酪靡粋€什么樣的理論去描述這樣一種新的物理現(xiàn)象。實際上，上世紀(jì)初量子力學(xué)的建立花費了很長的時間，因為微觀世界的許多現(xiàn)象與宏觀世界很不一樣。

通過許許多多物理學(xué)家們共同的努力，最終量子力學(xué)體系得以建立起來。在量子力學(xué)體系里，“軌道”不再是我們平時所理解的軌道，它不像地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道那樣是連續(xù)的。在量子力學(xué)體系里，“軌道”是分立的，它們代表不連續(xù)的能級。

量子力學(xué)并不是一個完美而漂亮的理論，但它是一個非常實用的理論。但凡需要描述微觀世界粒子的運動，比如原子、分子等，就必須用到量子力學(xué)。比如晶體管、激光、高溫超導(dǎo)、巨磁阻等等，如果沒有量子力學(xué)，這些應(yīng)用領(lǐng)域都不會存在，因為只有利用量子力學(xué)才能描述其物理規(guī)律。我們把用量子力學(xué)來描述、理解我們周邊世界并以此發(fā)明相關(guān)應(yīng)用的階段稱為“Top-down”。量子力學(xué)是對我們現(xiàn)代社會影響深遠(yuǎn)的一門科學(xué)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)超出了人們的想象。現(xiàn)代量子科學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)單量子操作。我們把對單個量子的狀態(tài)進(jìn)行人工制備，對多個量子間相互作用進(jìn)行主動調(diào)控稱為“Bottom-up”。人工制備與操控單量子，是一個極具挑戰(zhàn)的科學(xué)前沿。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了幾個重要的領(lǐng)域：首先是量子保密通信，量子保密通信通過對單個光子的操控來實現(xiàn)安全通信；第二個就是計算能力的飛躍，即我們今天要講的主要內(nèi)容——量子計算與量子模擬，其因遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機的計算能力而受到很大重視；第三個，超越經(jīng)典極限的精密測量，單光子成像就是其中一種，對于一個像素它只需要一個光子，而傳統(tǒng)成像則需要109個。

計算機的發(fā)展

在過去，計算機并沒有像我們現(xiàn)在這么便捷與強大。在計算機誕生非常早的時代，為了計算一個數(shù)學(xué)問題，需要先將編寫的程序用紙條打好孔，然后輸入計算機，計算機處理好之后再打印出來。無論計算能力，還是操作流程，與現(xiàn)在計算機都不可同日而語。但是后來，隨著集成電路的發(fā)展，計算機開始改變?nèi)祟惪萍嫉陌l(fā)展。

可是，人類對于計算能力的需求，實際上是無止境的。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，我們對計算機計算能力的需求不是減少，而是增加的。人們對于數(shù)據(jù)處理的需求在急劇上升，甚至于上升的速度遠(yuǎn)超過現(xiàn)在計算能力提升的速度。

這里面涉及一個很重要的問題，就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝。大家都知道摩爾定律，即集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目每隔18個月就翻一番，也即是微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格卻下降一半。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，集成電路的數(shù)目已經(jīng)要接近其量子極限了。

另外一個限制計算機性能發(fā)展的因素是能耗。現(xiàn)代的計算機，特別是超級計算機，能耗問題是一個更突出的問題。我們可以堆疊更多的CPU，可以擁有更強大的計算能力，但是能耗太大，仍然是不現(xiàn)實的。

基于以上現(xiàn)代計算機發(fā)展的限制，人們開始設(shè)想有沒有新的計算模式，可以替代現(xiàn)在主流的半導(dǎo)體計算機模式。量子計算就是現(xiàn)在看起來最有前景的解決方案。

量子計算

那么，量子計算到底能夠在多大程度上取代經(jīng)典計算機呢？實際上，這是一個非常前沿的問題?，F(xiàn)在的普遍認(rèn)識是：量子計算機不可能完全取代經(jīng)典計算機，而只能在某些有特定難度的問題上取代經(jīng)典計算機。所以我們也不能把量子計算機神話，認(rèn)為其是未來的全部解決方案。

我們首先通過一個比較通俗的例子來介紹量子計算機的原理，希望大家可以通過這個例子理解量子計算的本質(zhì)。

量子系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。在經(jīng)典計算機中，經(jīng)典比特（我們通常就簡稱為比特），就是0和1，但在量子計算中，由于量子系統(tǒng)的特殊性，量子比特不再是一個簡單的0和1，它是一個展開的二維空間。1個比特就展開一個二維的空間；如果是2個比特，則展開一個四維的空間；3個比特則是八維的空間。如果有N個比特，展開的空間就是2N維度。這是一件非常可怕的事情，如果有300個比特的話，展開空間的維數(shù)就比宇宙的原子數(shù)目還要多了。

具備了這種指數(shù)加速能力，那么在某些問題上面，量子計算能力的提升將是可怕的。我們畫一個簡單的圖，希望能夠給出一個直觀的解釋。一根線，我們叫做一維，而一個面是二維的，一個立方體是三維的。大家沒有辦法想象四維是什么樣子，但在線性代數(shù)中，其實我們很容易就會知道一個高維空間到底是什么。

舉一個最簡單的例子，如果你是一個二維生物，位于一個立方體上，要從一個點到另一個點，那么你只能沿著一個面走，你必須要繞一圈，沒有其他辦法。但是如果你是一個三維生物，可以走三維路徑的話，就可以走直線過去。這只是一個三維的例子，但實際上量子計算就是利用這樣一個原理：把計算的初態(tài)放到一個高維空間里，通過一系列運算，計算出最后需要到達(dá)的位置，最后再測量這個位置。這就是最基本的量子計算解釋。

我們通過這樣的方式，實現(xiàn)高速求解?，F(xiàn)在用的最多的RSA密碼，用的就是指數(shù)的加速效應(yīng)，這也是現(xiàn)在量子計算最有用的一個例子。當(dāng)然像這樣的例子大家還在不停地探索，邊界到底在哪里，需要大家一直不停地追求。

一個物理學(xué)家，如果他研究的體系能夠構(gòu)成量子比特，也就是能夠構(gòu)成量子二能級系統(tǒng)，那么他們往往就會宣稱他們在做量子計算。當(dāng)然，這是一件非常困難的事情。能夠構(gòu)成量子比特的系統(tǒng)有很多種，比如光子、超導(dǎo)、半導(dǎo)體、離子阱等等。現(xiàn)在最受追捧的就是超導(dǎo)量子計算，比如谷歌、IBM、騰訊、阿里等都在開展這方面的工作。接下來，我將對超導(dǎo)量子計算方向著重介紹。

量子計算到底有多難？

總結(jié)起來，要實現(xiàn)量子計算，我們一方面希望操作一個單量子，即一個量子二能級系統(tǒng)，另一方面，量子計算的計算能力取決于量子比特數(shù)，我們需要把N個量子比特耦合起來，來構(gòu)成一個復(fù)雜的量子計算系統(tǒng)。所以，我們一方面希望它是一個純凈的單量子系統(tǒng)，另一方面又希望多個量子結(jié)合在一起，可以相互耦合起來。這本身就是矛盾的。

我們來舉一個例子，比如光子，每個光子都具有非常好的量子性能，但是如果你想做量子計算，就要把很多光子結(jié)合起來，對于光子體系，這就非常困難。而超導(dǎo)系統(tǒng)有很好的可擴展性，但是要把每一個量子都做得很好卻非常難。所以在這種內(nèi)在的矛盾里，一定要發(fā)展一個系統(tǒng)，首先它有很好的量子特性，其次你又能把它擴展開來。這個才是走向量子計算的一條康莊大道，唯有如此，我們才能真正把量子計算做成功。

超導(dǎo)量子計算

超導(dǎo)量子計算是現(xiàn)在最受追捧的方向之一。超導(dǎo)是半導(dǎo)體、絕緣體、金屬之外最重要的一個物態(tài)，其最主要的一個特點就是原則上沒有能量損失。

那么通過超導(dǎo)，如何來實現(xiàn)量子計算呢？首先，我來問大家一個問題，通常我們所說的量子系統(tǒng)都是微觀系統(tǒng)，那么對于一個宏觀系統(tǒng)，如果我們可以將它的噪聲或者外部擾動降低到能與一個單原子或者單分子的微觀系統(tǒng)的擾動相當(dāng)?shù)臅r候，這個系統(tǒng)會不會服從量子力學(xué)規(guī)律呢？答案是肯定的，如果我們能夠構(gòu)造這么一個宏觀系統(tǒng)，它就可以擁有量子特性。

在上世紀(jì)八九十年代，物理學(xué)家們做了一個實驗，他們將一個比單原子大一萬倍的超導(dǎo)電路的噪聲降低到極低的水平，然后去測量其物理特性。實驗結(jié)果表明，這個極低噪聲系統(tǒng)的確具有量子特性。這個實驗告訴我們，量子力學(xué)是普適的，不管對于宏觀系統(tǒng)，還是微觀系統(tǒng)，只是對于宏觀系統(tǒng)，量子效應(yīng)往往被噪聲淹沒。

宏觀量子效應(yīng)具有顯著的優(yōu)點，就是其可擴展性非常好，與半導(dǎo)體中的PN結(jié)相似，在超導(dǎo)體中，有一個約瑟夫森結(jié)，通過約瑟夫森結(jié)組成與半導(dǎo)體電路相似的電子電路，，并把外部環(huán)境的噪聲降低到低于單量子擾動，我們就可以得到一個一個的量子比特。當(dāng)然，這是一個非常有挑戰(zhàn)性的工作。

可見，超導(dǎo)量子處理器工藝與半導(dǎo)體芯片工藝非常相似，就是平面印刷工藝——通過印刷電感、電容和約瑟夫森結(jié)來構(gòu)造量子比特。那么這項技術(shù)的難點在哪里呢？就在于怎么控制每一個量子比特不受到擾動。這也是它最難的地方。

我們平時看到的許多宣傳，比如IBM宣稱研制出50量子比特的原型機，DWave宣稱他們已經(jīng)做出了幾千量子比特的量子計算機，這些宣傳他們只告訴了你故事的一個方面，就是比特數(shù)，而比特數(shù)恰恰才是超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域最容易實現(xiàn)的目標(biāo)。因為其本質(zhì)還是半導(dǎo)體工藝，通過半導(dǎo)體印刷晶體管，可以輕松實現(xiàn)幾百、幾千的比特數(shù)，如果你想，更多的比特數(shù)也沒有問題。但是，這是無用的，如果沒有對每個量子比特的精確操控，比特數(shù)都是徒勞。目前階段，我們認(rèn)為，一個堅實的進(jìn)步是去年谷歌公司的量子優(yōu)越性展示，他們大概做到了50個量子比特，每個量子比特的操控精度達(dá)到99.5%。這是量子計算目前的前沿水平。

量子計算處理器是一個對單量子態(tài)進(jìn)行超高精度模擬的處理器，它要求必須達(dá)到百分之九十九點幾這樣高精度的控制。所以量子計算處理器幾乎把我們用到的各種技術(shù)都推到了一個極致。

量子計算的核心就是量子處理器，為了實現(xiàn)對其高精度控制，需要把它放置在一個極低溫環(huán)境中，這是因為在量子領(lǐng)域，溫度也是噪聲的一種，只有將環(huán)境溫度降低到絕對零度附近，才可以降低溫度所導(dǎo)致的系統(tǒng)擾動。去除干擾后，對處理器發(fā)送脈沖，就可以實現(xiàn)對量子比特的精確操控。這就是現(xiàn)代超導(dǎo)量子計算體系的工作機理。所以，從這個角度看，量子計算機要取代經(jīng)典計算機還有很長的路要走，因為人們不可能每天扛著一個制冷機到處跑。我們預(yù)測，將來的量子計算系統(tǒng)會以服務(wù)器的模式出現(xiàn)在大家面前。

那么量子計算機究竟可以做什么呢？我們前面提到，去年谷歌公司已經(jīng)實現(xiàn)對53個量子比特的99.4%保真度的操控，這樣的一個量子計算機可以做什么呢？目前，科學(xué)家們讓它應(yīng)用在了“量子隨機線路采樣”這個問題上，并且證實它的求解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計算機。但是遺憾的是，這個問題沒有任何實際應(yīng)用，它只是用來演示量子計算機的計算性能。下一步，科學(xué)家們希望可以找到一些實際應(yīng)用問題，實現(xiàn)在該問題上超過經(jīng)典計算機的性能。

我們最終希望可以通過“通用容錯量子計算”來實現(xiàn)比如解密算法等等的實際應(yīng)用。通用容錯量子計算的核心為量子糾錯，即要把錯誤糾正，讓所有的量子比特都能正確運作起來。這是一項宏偉的計劃，我們團隊希望今年可以實現(xiàn)60比特，99.5%保真度，這實際上就是與谷歌保持同一水平。我們希望今年也可以在同一問題上實現(xiàn)量子優(yōu)越性。在未來五年希望做到1000個量子比特，這樣就能夠找到一些比經(jīng)典計算更快求解的實際應(yīng)用。其實谷歌也提出了同樣的目標(biāo)，當(dāng)然，這是一個極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

一個真正的通用容錯的量子計算機需要100萬個量子比特，精度要求為99.8%。當(dāng)然這個難度相當(dāng)大。我們希望與谷歌正面競爭，和他們一樣，提出在未來10年做到100萬量子比特。

責(zé)任編輯：PSY近年來，量子信息學(xué)發(fā)展迅速，因其強大的能力、廣泛的應(yīng)用前景而被視為“決定未來的技術(shù)”。它涵蓋量子計算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域，由此量子技術(shù)成為了當(dāng)下世界各國新興技術(shù)競爭的焦點。

10月7日，美國國家量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《量子前沿》（Quantum Frontiers）報告，列出了八項重點聚焦的前沿方向：擴大量子技術(shù)造福社會的能力；建立量子工程學(xué)科；瞄準(zhǔn)服務(wù)于量子技術(shù)的材料科學(xué)；通過量子模擬探索量子力學(xué)；利用量子信息技術(shù)進(jìn)行精密測量；用于新應(yīng)用的量子糾纏的產(chǎn)生和分發(fā)；表征和減少量子體系的錯誤率，邁向容錯量子計算；通過量子信息理解宇宙。加拿大國家研究委員會指出，到2040年，量子技術(shù)將產(chǎn)生規(guī)模1424億美元的產(chǎn)業(yè)，并提供大量就業(yè)機會和政府財政。10月6日，加拿大成立量子工業(yè)聯(lián)盟（Quantum Industry Canada），旨在確保加拿大的量子創(chuàng)新和科研成就能夠轉(zhuǎn)化為加拿大的商業(yè)成功和經(jīng)濟繁榮。

人們對計算能力的需求日益增長，傳統(tǒng)計算模式面臨巨大挑戰(zhàn)，而量子計算因其遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機的計算能力而受到很大重視。關(guān)于量子計算進(jìn)展的新聞也時常吸引讀者的注意，例如近期的進(jìn)展新聞：霍尼韋爾公司和IonQ公司接連發(fā)布量子體積更大的量子計算機，號稱推出“世界最強的量子計算機”；SQC公司提出可以實現(xiàn)硅原子雙量子比特99.99%的超高保真度。

那么，量子計算的精髓到底是什么？除量子比特數(shù)目之外，還有哪些性能對量子計算至關(guān)重要？建造實用的量子計算機為什么如此困難？“潘之隊”超導(dǎo)量子計算負(fù)責(zé)人朱曉波教授為大家解惑。

本文整理自墨子沙龍“未來趨勢：量子互聯(lián)網(wǎng)”活動朱曉波教授的報告。

大家好，非常高興與大家分享量子計算的知識。因為在座的有許多的高中生、初中生，甚至小學(xué)生，所以，我將花更多的篇幅介紹量子計算的相關(guān)背景知識，希望通過我的報告，讓大家更多的了解什么是量子計算，以及現(xiàn)在的量子計算前沿走到了哪一步。

經(jīng)典力學(xué)

首先我們來回顧一下經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容。初中生或高中生，只要有過一定物理基礎(chǔ)的人都學(xué)過牛頓力學(xué)，也就是經(jīng)典力學(xué)。牛頓力學(xué)是一項偉大的發(fā)現(xiàn)，之后人類開始可以精確描述我們的世界，物體的運動可以被預(yù)測。比如，我們可以通過牛頓力學(xué)描述月球圍繞地球的運動，以及地球圍繞太陽的運動，并預(yù)測月食、日食等。人們僅僅通過牛頓力學(xué)公式和萬有引力公式這樣兩個簡單的公式，就可以把我們?nèi)粘Ｓ^測到的世界描述清楚了。于是，到了上個世紀(jì)初，人們開始覺得物理學(xué)已經(jīng)趨于完美了，物理學(xué)家就要失業(yè)了，已經(jīng)沒有更多新的東西需要物理學(xué)家們?nèi)ヌ剿髁恕?/p>

不過在物理學(xué)的上空，還飄著“兩朵烏云”，這“兩朵烏云”是牛頓力學(xué)或者說經(jīng)典力學(xué)所解決不了的。后來大家知道，這“兩朵烏云”，一朵導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，一朵導(dǎo)致了相對論的誕生。愛因斯坦是天才，他提出了同樣天才的相對論，而量子力學(xué)更加深奧難懂，它幾乎聚集了上世紀(jì)人類所有偉大的物理學(xué)家們的智慧。如果你缺乏相關(guān)的數(shù)學(xué)知識與背景，很難依據(jù)日常世界經(jīng)驗去真正的理解“什么是量子力學(xué)”。但是如果我們從微觀世界的物理現(xiàn)象出發(fā)，會發(fā)現(xiàn)它并沒有那么難。量子力學(xué)的特點即是認(rèn)為：微觀世界是量子化的，不連續(xù)的，擁有不可分的最小單元，比如光子。

量子力學(xué)

舉一個簡單的例子。大家都知道，物體是由分子、原子構(gòu)成的，原子可以分為原子核與核外電子，電子圍繞著原子核轉(zhuǎn)動。那么，我們思考一個問題，電子是如何圍繞原子核轉(zhuǎn)動的呢？它是像地球繞著太陽那樣轉(zhuǎn)嗎？答案是否定的，如圖所示，核外電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動具有分立的固定能級，它只能在某些分立的特定能級上運動，這些都是物理觀測結(jié)果。

數(shù)學(xué)與物理學(xué)是相反的，數(shù)學(xué)更專注于邏輯，它通過假定幾條公理，可以推到出一系列的數(shù)學(xué)結(jié)果。但是物理學(xué)不一樣，物理學(xué)更尊重物理事實，即觀測結(jié)果，我們不能因為觀測結(jié)果與理論不符，就否定觀測結(jié)果。當(dāng)物理學(xué)家們觀測到微觀世界的原子行為與描述宏觀世界的經(jīng)典力學(xué)不符時，物理學(xué)家們也非?？鄲?，他們不知道要用一個什么樣的理論去描述這樣一種新的物理現(xiàn)象。實際上，上世紀(jì)初量子力學(xué)的建立花費了很長的時間，因為微觀世界的許多現(xiàn)象與宏觀世界很不一樣。

通過許許多多物理學(xué)家們共同的努力，最終量子力學(xué)體系得以建立起來。在量子力學(xué)體系里，“軌道”不再是我們平時所理解的軌道，它不像地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道那樣是連續(xù)的。在量子力學(xué)體系里，“軌道”是分立的，它們代表不連續(xù)的能級。

量子力學(xué)并不是一個完美而漂亮的理論，但它是一個非常實用的理論。但凡需要描述微觀世界粒子的運動，比如原子、分子等，就必須用到量子力學(xué)。比如晶體管、激光、高溫超導(dǎo)、巨磁阻等等，如果沒有量子力學(xué)，這些應(yīng)用領(lǐng)域都不會存在，因為只有利用量子力學(xué)才能描述其物理規(guī)律。我們把用量子力學(xué)來描述、理解我們周邊世界并以此發(fā)明相關(guān)應(yīng)用的階段稱為“Top-down”。量子力學(xué)是對我們現(xiàn)代社會影響深遠(yuǎn)的一門科學(xué)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)超出了人們的想象。現(xiàn)代量子科學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)單量子操作。我們把對單個量子的狀態(tài)進(jìn)行人工制備，對多個量子間相互作用進(jìn)行主動調(diào)控稱為“Bottom-up”。人工制備與操控單量子，是一個極具挑戰(zhàn)的科學(xué)前沿。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了幾個重要的領(lǐng)域：首先是量子保密通信，量子保密通信通過對單個光子的操控來實現(xiàn)安全通信；第二個就是計算能力的飛躍，即我們今天要講的主要內(nèi)容——量子計算與量子模擬，其因遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機的計算能力而受到很大重視；第三個，超越經(jīng)典極限的精密測量，單光子成像就是其中一種，對于一個像素它只需要一個光子，而傳統(tǒng)成像則需要109個。

計算機的發(fā)展

在過去，計算機并沒有像我們現(xiàn)在這么便捷與強大。在計算機誕生非常早的時代，為了計算一個數(shù)學(xué)問題，需要先將編寫的程序用紙條打好孔，然后輸入計算機，計算機處理好之后再打印出來。無論計算能力，還是操作流程，與現(xiàn)在計算機都不可同日而語。但是后來，隨著集成電路的發(fā)展，計算機開始改變?nèi)祟惪萍嫉陌l(fā)展。

可是，人類對于計算能力的需求，實際上是無止境的。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，我們對計算機計算能力的需求不是減少，而是增加的。人們對于數(shù)據(jù)處理的需求在急劇上升，甚至于上升的速度遠(yuǎn)超過現(xiàn)在計算能力提升的速度。

這里面涉及一個很重要的問題，就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝。大家都知道摩爾定律，即集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目每隔18個月就翻一番，也即是微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格卻下降一半。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，集成電路的數(shù)目已經(jīng)要接近其量子極限了。

另外一個限制計算機性能發(fā)展的因素是能耗?，F(xiàn)代的計算機，特別是超級計算機，能耗問題是一個更突出的問題。我們可以堆疊更多的CPU，可以擁有更強大的計算能力，但是能耗太大，仍然是不現(xiàn)實的。

基于以上現(xiàn)代計算機發(fā)展的限制，人們開始設(shè)想有沒有新的計算模式，可以替代現(xiàn)在主流的半導(dǎo)體計算機模式。量子計算就是現(xiàn)在看起來最有前景的解決方案。

量子計算

那么，量子計算到底能夠在多大程度上取代經(jīng)典計算機呢？實際上，這是一個非常前沿的問題。現(xiàn)在的普遍認(rèn)識是：量子計算機不可能完全取代經(jīng)典計算機，而只能在某些有特定難度的問題上取代經(jīng)典計算機。所以我們也不能把量子計算機神話，認(rèn)為其是未來的全部解決方案。

我們首先通過一個比較通俗的例子來介紹量子計算機的原理，希望大家可以通過這個例子理解量子計算的本質(zhì)。

量子系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。在經(jīng)典計算機中，經(jīng)典比特（我們通常就簡稱為比特），就是0和1，但在量子計算中，由于量子系統(tǒng)的特殊性，量子比特不再是一個簡單的0和1，它是一個展開的二維空間。1個比特就展開一個二維的空間；如果是2個比特，則展開一個四維的空間；3個比特則是八維的空間。如果有N個比特，展開的空間就是2N維度。這是一件非?？膳碌氖虑?，如果有300個比特的話，展開空間的維數(shù)就比宇宙的原子數(shù)目還要多了。

具備了這種指數(shù)加速能力，那么在某些問題上面，量子計算能力的提升將是可怕的。我們畫一個簡單的圖，希望能夠給出一個直觀的解釋。一根線，我們叫做一維，而一個面是二維的，一個立方體是三維的。大家沒有辦法想象四維是什么樣子，但在線性代數(shù)中，其實我們很容易就會知道一個高維空間到底是什么。

舉一個最簡單的例子，如果你是一個二維生物，位于一個立方體上，要從一個點到另一個點，那么你只能沿著一個面走，你必須要繞一圈，沒有其他辦法。但是如果你是一個三維生物，可以走三維路徑的話，就可以走直線過去。這只是一個三維的例子，但實際上量子計算就是利用這樣一個原理：把計算的初態(tài)放到一個高維空間里，通過一系列運算，計算出最后需要到達(dá)的位置，最后再測量這個位置。這就是最基本的量子計算解釋。

我們通過這樣的方式，實現(xiàn)高速求解。現(xiàn)在用的最多的RSA密碼，用的就是指數(shù)的加速效應(yīng)，這也是現(xiàn)在量子計算最有用的一個例子。當(dāng)然像這樣的例子大家還在不停地探索，邊界到底在哪里，需要大家一直不停地追求。

一個物理學(xué)家，如果他研究的體系能夠構(gòu)成量子比特，也就是能夠構(gòu)成量子二能級系統(tǒng)，那么他們往往就會宣稱他們在做量子計算。當(dāng)然，這是一件非常困難的事情。能夠構(gòu)成量子比特的系統(tǒng)有很多種，比如光子、超導(dǎo)、半導(dǎo)體、離子阱等等?，F(xiàn)在最受追捧的就是超導(dǎo)量子計算，比如谷歌、IBM、騰訊、阿里等都在開展這方面的工作。接下來，我將對超導(dǎo)量子計算方向著重介紹。

量子計算到底有多難？

總結(jié)起來，要實現(xiàn)量子計算，我們一方面希望操作一個單量子，即一個量子二能級系統(tǒng)，另一方面，量子計算的計算能力取決于量子比特數(shù)，我們需要把N個量子比特耦合起來，來構(gòu)成一個復(fù)雜的量子計算系統(tǒng)。所以，我們一方面希望它是一個純凈的單量子系統(tǒng)，另一方面又希望多個量子結(jié)合在一起，可以相互耦合起來。這本身就是矛盾的。

我們來舉一個例子，比如光子，每個光子都具有非常好的量子性能，但是如果你想做量子計算，就要把很多光子結(jié)合起來，對于光子體系，這就非常困難。而超導(dǎo)系統(tǒng)有很好的可擴展性，但是要把每一個量子都做得很好卻非常難。所以在這種內(nèi)在的矛盾里，一定要發(fā)展一個系統(tǒng)，首先它有很好的量子特性，其次你又能把它擴展開來。這個才是走向量子計算的一條康莊大道，唯有如此，我們才能真正把量子計算做成功。

超導(dǎo)量子計算

超導(dǎo)量子計算是現(xiàn)在最受追捧的方向之一。超導(dǎo)是半導(dǎo)體、絕緣體、金屬之外最重要的一個物態(tài)，其最主要的一個特點就是原則上沒有能量損失。

那么通過超導(dǎo)，如何來實現(xiàn)量子計算呢？首先，我來問大家一個問題，通常我們所說的量子系統(tǒng)都是微觀系統(tǒng)，那么對于一個宏觀系統(tǒng)，如果我們可以將它的噪聲或者外部擾動降低到能與一個單原子或者單分子的微觀系統(tǒng)的擾動相當(dāng)?shù)臅r候，這個系統(tǒng)會不會服從量子力學(xué)規(guī)律呢？答案是肯定的，如果我們能夠構(gòu)造這么一個宏觀系統(tǒng)，它就可以擁有量子特性。

在上世紀(jì)八九十年代，物理學(xué)家們做了一個實驗，他們將一個比單原子大一萬倍的超導(dǎo)電路的噪聲降低到極低的水平，然后去測量其物理特性。實驗結(jié)果表明，這個極低噪聲系統(tǒng)的確具有量子特性。這個實驗告訴我們，量子力學(xué)是普適的，不管對于宏觀系統(tǒng)，還是微觀系統(tǒng)，只是對于宏觀系統(tǒng)，量子效應(yīng)往往被噪聲淹沒。

宏觀量子效應(yīng)具有顯著的優(yōu)點，就是其可擴展性非常好，與半導(dǎo)體中的PN結(jié)相似，在超導(dǎo)體中，有一個約瑟夫森結(jié)，通過約瑟夫森結(jié)組成與半導(dǎo)體電路相似的電子電路，，并把外部環(huán)境的噪聲降低到低于單量子擾動，我們就可以得到一個一個的量子比特。當(dāng)然，這是一個非常有挑戰(zhàn)性的工作。

可見，超導(dǎo)量子處理器工藝與半導(dǎo)體芯片工藝非常相似，就是平面印刷工藝——通過印刷電感、電容和約瑟夫森結(jié)來構(gòu)造量子比特。那么這項技術(shù)的難點在哪里呢？就在于怎么控制每一個量子比特不受到擾動。這也是它最難的地方。

我們平時看到的許多宣傳，比如IBM宣稱研制出50量子比特的原型機，DWave宣稱他們已經(jīng)做出了幾千量子比特的量子計算機，這些宣傳他們只告訴了你故事的一個方面，就是比特數(shù)，而比特數(shù)恰恰才是超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域最容易實現(xiàn)的目標(biāo)。因為其本質(zhì)還是半導(dǎo)體工藝，通過半導(dǎo)體印刷晶體管，可以輕松實現(xiàn)幾百、幾千的比特數(shù)，如果你想，更多的比特數(shù)也沒有問題。但是，這是無用的，如果沒有對每個量子比特的精確操控，比特數(shù)都是徒勞。目前階段，我們認(rèn)為，一個堅實的進(jìn)步是去年谷歌公司的量子優(yōu)越性展示，他們大概做到了50個量子比特，每個量子比特的操控精度達(dá)到99.5%。這是量子計算目前的前沿水平。

量子計算處理器是一個對單量子態(tài)進(jìn)行超高精度模擬的處理器，它要求必須達(dá)到百分之九十九點幾這樣高精度的控制。所以量子計算處理器幾乎把我們用到的各種技術(shù)都推到了一個極致。

量子計算的核心就是量子處理器，為了實現(xiàn)對其高精度控制，需要把它放置在一個極低溫環(huán)境中，這是因為在量子領(lǐng)域，溫度也是噪聲的一種，只有將環(huán)境溫度降低到絕對零度附近，才可以降低溫度所導(dǎo)致的系統(tǒng)擾動。去除干擾后，對處理器發(fā)送脈沖，就可以實現(xiàn)對量子比特的精確操控。這就是現(xiàn)代超導(dǎo)量子計算體系的工作機理。所以，從這個角度看，量子計算機要取代經(jīng)典計算機還有很長的路要走，因為人們不可能每天扛著一個制冷機到處跑。我們預(yù)測，將來的量子計算系統(tǒng)會以服務(wù)器的模式出現(xiàn)在大家面前。

那么量子計算機究竟可以做什么呢？我們前面提到，去年谷歌公司已經(jīng)實現(xiàn)對53個量子比特的99.4%保真度的操控，這樣的一個量子計算機可以做什么呢？目前，科學(xué)家們讓它應(yīng)用在了“量子隨機線路采樣”這個問題上，并且證實它的求解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計算機。但是遺憾的是，這個問題沒有任何實際應(yīng)用，它只是用來演示量子計算機的計算性能。下一步，科學(xué)家們希望可以找到一些實際應(yīng)用問題，實現(xiàn)在該問題上超過經(jīng)典計算機的性能。

我們最終希望可以通過“通用容錯量子計算”來實現(xiàn)比如解密算法等等的實際應(yīng)用。通用容錯量子計算的核心為量子糾錯，即要把錯誤糾正，讓所有的量子比特都能正確運作起來。這是一項宏偉的計劃，我們團隊希望今年可以實現(xiàn)60比特，99.5%保真度，這實際上就是與谷歌保持同一水平。我們希望今年也可以在同一問題上實現(xiàn)量子優(yōu)越性。在未來五年希望做到1000個量子比特，這樣就能夠找到一些比經(jīng)典計算更快求解的實際應(yīng)用。其實谷歌也提出了同樣的目標(biāo)，當(dāng)然，這是一個極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

一個真正的通用容錯的量子計算機需要100萬個量子比特，精度要求為99.8%。當(dāng)然這個難度相當(dāng)大。我們希望與谷歌正面競爭，和他們一樣，提出在未來10年做到100萬量子比特。

責(zé)任編輯：PSYv