今年諾貝爾物理獎(jiǎng)有關(guān)“量子計(jì)算”，阿里、谷歌、微軟、IBM等國(guó)際巨頭公司都突然加速進(jìn)軍這一原本屬于“自然科學(xué)”研究的領(lǐng)域。百年量子理論風(fēng)云沉淀，一朝爆發(fā)，“量子比特”何時(shí)統(tǒng)治世界？

幾天前揭曉的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，頒給了美國(guó)普林斯頓大學(xué)和布朗大學(xué)的兩名學(xué)者，他們?cè)?0世紀(jì)70、80年代把拓?fù)洌═opology）這個(gè)數(shù)學(xué)概念引入物理學(xué)，做了“物質(zhì)拓?fù)湎嗯c拓?fù)湎噢D(zhuǎn)變”方面的理論研究，簡(jiǎn)言之就是研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)。諾貝爾組委會(huì)把電子學(xué)和超導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展歸功于他們，并稱“或?qū)⒂兄谖磥?lái)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展”。

今年在整個(gè)前沿技術(shù)領(lǐng)域，“量子計(jì)算”出現(xiàn)的頻率都特別高，這個(gè)過(guò)去僅在學(xué)術(shù)圈討論的話題，開(kāi)始頻頻進(jìn)入企業(yè)圈，阿里巴巴就是最早宣稱要進(jìn)入“量子研究”領(lǐng)域的中國(guó)公司。而這并不偶然，自動(dòng)汽車(chē)、自動(dòng)駕駛、腦機(jī)交互、自然語(yǔ)言處理乃至線上廣告、搜索引擎、推薦系統(tǒng)等都是機(jī)器學(xué)習(xí)的熱門(mén)領(lǐng)域，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)的話，我們可以毫不夸張地說(shuō)，量子計(jì)算實(shí)際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來(lái)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

什么是量子計(jì)算，以及它的革命性在哪里？作為一直最具“技術(shù)信仰”的媒體，鈦媒體「特稿組」歷時(shí)數(shù)月，深度訪問(wèn)國(guó)內(nèi)外多位“量子計(jì)算”領(lǐng)域權(quán)威，也經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究和梳理，將這世紀(jì)級(jí)的問(wèn)題說(shuō)一說(shuō)：

2016年8月16日，北京時(shí)間凌晨1時(shí)40分。

中國(guó)的長(zhǎng)征號(hào)系列火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心剛剛成功完成了它的第234次發(fā)射任務(wù)，這一次，它搭載的是“墨子號(hào)”量子實(shí)驗(yàn)科學(xué)衛(wèi)星（QUESS，Quantum Experiments at Space Scale），這是世界上第一顆量子衛(wèi)星，也是人類首次通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)地球和外太空之間的通信。

《紐約時(shí)報(bào)》（The New York Times）這樣評(píng)價(jià)墨子號(hào)的意義：這是中國(guó)為爭(zhēng)取站在量子研究最前沿而邁出的重要一步。

此時(shí)，距離我國(guó)量子衛(wèi)星正式立項(xiàng)也只過(guò)去了不到5年而已，距離潘建偉在2003年提出發(fā)射量子衛(wèi)星僅僅過(guò)去了13年時(shí)間，距離潘建偉回到國(guó)內(nèi)建立起了中國(guó)第一個(gè)操控光子的量子屬性的實(shí)驗(yàn)室只有15年。

而查爾斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）和吉爾斯·巴撒德（Gilles Brassard）在1984年提出第一份量子密鑰分發(fā)協(xié)議——即BB84協(xié)議——以及1948年克勞德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）建立現(xiàn)代信息理論則是僅僅是幾十年前的時(shí)間。

如果說(shuō)香農(nóng)用數(shù)學(xué)定義了信息的概念，那么 BB84協(xié)議向大家展示了量子理論應(yīng)用到通信中的廣闊前景和巨大想象力，信息收發(fā)者通過(guò)量子頻道設(shè)定密鑰，而基于測(cè)不準(zhǔn)原理，任何覬覦信息的竊聽(tīng)者都會(huì)破壞到數(shù)據(jù)使得收發(fā)雙方發(fā)現(xiàn)，這就保證了沒(méi)有任何人能夠在不被當(dāng)事人發(fā)現(xiàn)的情況下竊取信息。

這就是量子通信的基礎(chǔ)和最大優(yōu)勢(shì)，利用量子頻道的超高安全性和信息容量、傳輸速度上的優(yōu)勢(shì)來(lái)接發(fā)信息，這正是量子計(jì)算在現(xiàn)實(shí)世界中最具實(shí)踐場(chǎng)景、最具操作可行性的應(yīng)用之一。

事實(shí)上，30多年前，費(fèi)曼才提出量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想，而直到100多年前，在解決黑體輻射問(wèn)題的過(guò)程中，普朗克發(fā)現(xiàn)了輻射量子化的現(xiàn)象，他假設(shè)能量只能在微小、各異、相互遠(yuǎn)離的能量包中進(jìn)行釋放或吸收，才第一次提出了“量子”的概念。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)后續(xù)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，量子理論發(fā)揚(yáng)光大，它與經(jīng)典物理理論有著5個(gè)顯著不同的特性：

非決定論（indeterminism）

在牛頓體系中，只要知道觀測(cè)對(duì)象的初始位置和速度，就能預(yù)測(cè)它的軌跡，然而，在量子理論中，唯一能預(yù)測(cè)的只有可能性。

量子干涉（interference）

在波理論中，當(dāng)兩個(gè)相干（coherent）的波源疊加時(shí)變產(chǎn)生干涉，而在量子理論中，即使單粒子也能顯示出這樣的特性，因此，量子干涉使得波粒二象性存在所有物質(zhì)之中。

測(cè)不準(zhǔn)（uncertainty）

這是量子理論的核心，亦即我們無(wú)法同時(shí)了解到量子的位置和動(dòng)量，而一旦對(duì)例子進(jìn)行測(cè)量，則又會(huì)失去這些信息。

量子疊加（superposition）

一個(gè)量子可以同時(shí)處于兩種允許狀態(tài)的線性疊加狀態(tài)，這意味著一個(gè)量子可以同時(shí)處于這里或那里，在與外部環(huán)境發(fā)生關(guān)系的過(guò)程中，量子極容易喪失這一特性，而疊加態(tài)又是量子計(jì)算和量子通信的核心目標(biāo)。

量子糾纏（entanglement）

意指同時(shí)擁有多個(gè)量子的強(qiáng)量子關(guān)聯(lián)，1935年，愛(ài)因斯坦等人提出了 EPR 悖論來(lái)質(zhì)疑量子理論的完備性，并試圖以定域性隱變理論來(lái)替代量子理論，但是，1964年，貝爾不等式證明任何滿足 RPR 假設(shè)的兩個(gè)粒子經(jīng)典關(guān)聯(lián)必然在一定數(shù)量以下，而兩個(gè)糾纏態(tài)的量子并不符合此不等式，因此，量子糾纏無(wú)法用任何經(jīng)典關(guān)聯(lián)進(jìn)行解釋，而只能是一種罕有的量子世界現(xiàn)象。

在量子理論發(fā)展的100多年時(shí)間里，我們將會(huì)看到圍繞著這些難以捉摸的現(xiàn)象和概念，那些在人類歷史上數(shù)一數(shù)二的天才們殫精竭慮為捍衛(wèi)自己的觀點(diǎn)而相互頡頏，而在二戰(zhàn)以后，量子理論的這些特性又是如何幫助現(xiàn)代的科學(xué)家們建立新的算法和應(yīng)用、如何利用量子通信、量子計(jì)算機(jī)等量子計(jì)算去想象世界的另一種可能性。

在歷史上，從來(lái)沒(méi)有一個(gè)理論像量子力學(xué)這樣如此深遠(yuǎn)地改變了世界的面貌，也從來(lái)沒(méi)有一門(mén)技術(shù)能像量子通信和量子計(jì)算這樣給予人類的未來(lái)如此無(wú)盡的想象力。

直至1989年，蒂姆·伯納斯·李（Tim Berners-Lee）才提出了“萬(wàn)維網(wǎng)”（World Wide Web）的理念，因特網(wǎng)的最早雛形 ARPANET 在1969年就出現(xiàn)了，但直到1981年 CSNET 的建立以及次年 TCP/IP 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，它才真正突飛猛進(jìn)地發(fā)展起來(lái)。

直到1994年，世界上第一臺(tái)嚴(yán)格意義上的智能手機(jī)才問(wèn)世，1993年時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)歷史上最原始的搜索引擎才誕生，而在1956年之前，甚至沒(méi)有人專門(mén)研究人工智能。

在橫跨過(guò)往3個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，量子計(jì)算的發(fā)展軌跡不只是關(guān)于科學(xué)和技術(shù)的歷史，不只是關(guān)于科學(xué)家的歷史，不只是歷史拼圖的一部分，從某種意義上來(lái)說(shuō)，反而是歷史本身的軌跡構(gòu)成了它的發(fā)展和進(jìn)化。

“沒(méi)人懂得量子力學(xué)”

我可以斷言沒(méi)人懂量子力學(xué)。

——理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）

普朗克提出“能量子” （Energieelement） 的概念，其后又將a此 表述修正為“量子”

在里面，普朗克提出了“能量子”（Energieelement）的概念，其后又將此表述修正為“量子”（Elementarquantum），在里面，普朗克提出了后來(lái)被普朗克常數(shù)的作用量子 h：

我們采取這種看法，認(rèn)為 E 是由數(shù)目有限的相等部分組成的，因此我們應(yīng)用了自然常量 ：

在這個(gè)新世紀(jì)元年的最后時(shí)間里，量子力學(xué)如驚雷一般倏忽現(xiàn)世，在看上去巍巍然的物理殿堂的角落暗暗埋下在日后一個(gè)世紀(jì)里將逐漸傾覆經(jīng)典物理世界體系的引信。

這一年，21歲的愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）剛剛在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院獲得了教師文憑，這時(shí)距離他寫(xiě)出重寫(xiě)物理歷史的論文還有5年的時(shí)間。

隨著1905年討論光量子、確定原子存在、提出狹義相對(duì)論的4篇論文的發(fā)布，小小的專利局文員愛(ài)因斯坦一舉成為整個(gè)物理學(xué)界的焦點(diǎn)，次年，他將普朗克的量子假說(shuō)應(yīng)用于固體比熱研究，到了1910年2月，沃爾瑟·能斯特（Walther Hermann Nernst）發(fā)布了自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了愛(ài)因斯坦理論的正確。

1911年第一次索爾維會(huì)議上的與會(huì)者合影，拍攝于布魯塞爾的大都會(huì)酒店

1927年的索爾維會(huì)議集合了當(dāng)時(shí)為止人類歷史上最天才的物理學(xué)家。（ Photograph by Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay, Brussels, Belgium）

再3年之后，在第六次索爾維會(huì)議上，愛(ài)因斯坦首先用一個(gè)光子箱實(shí)驗(yàn)來(lái)質(zhì)疑測(cè)不準(zhǔn)定理，直到第二天，玻爾等人才找出愛(ài)因斯坦論點(diǎn)中的漏洞，有力地反擊了后者，使愛(ài)因斯坦不得承認(rèn)測(cè)不準(zhǔn)原理的合理性，事實(shí)上，這也意味著愛(ài)因斯坦短暫承認(rèn)了早在1927年的會(huì)議上玻恩、海森堡就一再?gòu)?qiáng)調(diào)的觀點(diǎn)，即量子力學(xué)是一種完備的理論。

終其一生，愛(ài)因斯坦始終對(duì)量子力學(xué)持懷疑態(tài)度。然而，就像愛(ài)因斯坦自己說(shuō)的那樣，他從來(lái)不相信上帝，在愛(ài)因斯坦心中，唯一能稱得上宗教的只有對(duì)能夠被科學(xué)所解釋的世界結(jié)構(gòu)的無(wú)限崇敬。

關(guān)于量子力學(xué)的爭(zhēng)論并沒(méi)有就此停止，在量子力學(xué)爭(zhēng)論如火如荼的同時(shí)，戰(zhàn)火也蔓延世界，戰(zhàn)爭(zhēng)在摧毀世界舊秩序的同時(shí)，也極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而量子計(jì)算的最初萌芽就發(fā)生在二戰(zhàn)里。

前奏：“如果你想模擬自然的話，那你最好去用量子力學(xué)”

19世紀(jì)的英帝國(guó)國(guó)力昌隆，在科學(xué)領(lǐng)域，英國(guó)同樣也群星璀璨，在麥克斯韋震古爍今的電磁理論醞釀?wù)Q生的同時(shí)，查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）也在不斷失敗的處境中嘗試著完成差分機(jī)和分析機(jī)，盡管至死都沒(méi)有完成設(shè)備的組裝和完整運(yùn)行，但是，這些能夠通過(guò)邏輯化的運(yùn)作進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的設(shè)備雛形卻使得人們認(rèn)識(shí)到通用計(jì)算機(jī)的可能性。

1936年，阿蘭·圖靈提出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的概念。 （來(lái)源：NPL/Science Museum）

1936年，阿蘭·圖靈（Alan Turing）在論文《論數(shù)字計(jì)算在決斷難題中的應(yīng)用》（On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem）里提出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的概念，天才的圖靈是如此描述這樣的設(shè)備的：“發(fā)明一臺(tái)用來(lái)計(jì)算所有可計(jì)算數(shù)列的設(shè)備是完全可能的?！?/p>

1944年，世界上第一臺(tái)電子數(shù)字可編程計(jì)算機(jī)巨人（Colossus）在英國(guó)問(wèn)世，它的用途就是為了破解德軍通信密碼，在冷戰(zhàn)期間，為了掩蓋英國(guó)有能力破解洛倫茲密碼機(jī)（Lorenz Cipher）的事實(shí)，丘吉爾下令銷(xiāo)毀絕大部分巨人計(jì)算機(jī)。1946年，ENIAC在美國(guó)曝光，在戰(zhàn)時(shí)，這臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)之初的主要目的就是來(lái)計(jì)算火炮射表，而它最早承擔(dān)的項(xiàng)目還包括計(jì)算熱核武器的可行性。

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束以及社會(huì)各行各業(yè)的復(fù)興需求，體積龐大但在運(yùn)算上有著驚人優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)從戰(zhàn)爭(zhēng)期間的隱蔽戰(zhàn)線開(kāi)始越來(lái)越多地出現(xiàn)在民用和商業(yè)領(lǐng)域。

1951年，費(fèi)朗替（Ferranti）公司為曼徹斯特大學(xué)開(kāi)發(fā)出了世界上第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)Ferranti Mark 1，同年，美國(guó)人口調(diào)查局采購(gòu)了UNIVAC I，這是世界上第一臺(tái)被大規(guī)模制造的計(jì)算機(jī)，僅僅3年之后，IBM 推出了“相對(duì)”而言更小更便宜的計(jì)算機(jī)IBM 650 ，這臺(tái)設(shè)備凈重超過(guò)900千克，算上電力供應(yīng)裝置之后則在1.35噸以上，售價(jià)高達(dá)50萬(wàn)美元或者每月租金為3500美元。

1947年，雙體性晶體管問(wèn)世，并逐漸取代真空管在以往計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的位置，1953年，世界上第一臺(tái)可運(yùn)行的晶體管計(jì)算機(jī)在英國(guó)問(wèn)世，兩年后，另一臺(tái)包含200個(gè)晶體管、1300個(gè)固態(tài)二極管的晶體管計(jì)算機(jī)問(wèn)世。6年后，世界上第一個(gè)可運(yùn)行的集成電路問(wèn)世。晶體管和集成電路的出現(xiàn)意味著計(jì)算機(jī)有了更快的運(yùn)行速度和更強(qiáng)大的計(jì)算能力。

數(shù)學(xué)上，算法是對(duì)函數(shù)進(jìn)行有效計(jì)算的方法，算法研究的一個(gè)重要的切入點(diǎn)是尋找可以有效計(jì)算的函數(shù)，這類函數(shù)叫做遞歸函數(shù)。

1931年，哥德?tīng)枺↘urt Friedrich G?del）提出并證明了后來(lái)被統(tǒng)稱為哥德?tīng)柌煌陚涠ɡ淼膬蓷l定理，而根據(jù)哥德?tīng)柌煌陚涠ɡ恚恍┖瘮?shù)在數(shù)學(xué)上是不能被算法計(jì)算的。

哥德?tīng)枌?duì)“計(jì)算”（computation）做出了清晰的定義，盡管在論文里這些定義看上去不盡相同，但它們最后都?xì)w于同一類可計(jì)算函數(shù)里。而邱奇-圖靈假想(Church-Turning thesis)做出這樣的判斷，任何在算法上可計(jì)算的函數(shù)都能被圖靈機(jī)計(jì)算。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家把一個(gè)運(yùn)行時(shí)間隨著輸入大小而像多項(xiàng)式展開(kāi)那樣增長(zhǎng)的算法叫做“多項(xiàng)式時(shí)間”（polynomial-time），如果一個(gè)問(wèn)題用多項(xiàng)式時(shí)間就能解決的話，大家就把它稱作復(fù)雜類度為P的問(wèn)題——絕大多數(shù)P類問(wèn)題都用有效的算法解決，然而，大多數(shù)不屬于P類的問(wèn)題無(wú)論花多少時(shí)間也解決不了。

按照強(qiáng)邱奇－圖靈假想（Strong Church-Turing Thesis）進(jìn)一步推演的話，就是說(shuō)，如果在物理計(jì)算機(jī)上計(jì)算一個(gè)可計(jì)算函數(shù)的時(shí)間是 T 的話，那么在圖靈機(jī)上的時(shí)間則是O(Tc)，而這里的常數(shù) c 僅僅由計(jì)算機(jī)使用的函數(shù)類型決定。

隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，由于機(jī)器本身的容量和時(shí)間有限，這就使得可計(jì)算和不可計(jì)算之間的差別在計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用上顯得越來(lái)越重要，皮特·休爾（Peter Williston Shor）這樣評(píng)價(jià)道，“如果所有計(jì)算機(jī)跑完一個(gè)可計(jì)算函數(shù)的時(shí)間里，太陽(yáng)都燃燒殆盡了，這在實(shí)用方面可一點(diǎn)都不好?！?/p>

于是，一種新的迥異于傳統(tǒng)算法的計(jì)算機(jī)呼之欲出。

1970年，斯蒂文·威斯納（Steven Wiesner）就設(shè)想量子信息處理是解決密碼邏輯認(rèn)為較好的一種方式，這是量子計(jì)算最早的火花。在10多年后，在愛(ài)德華·福萊德金（Edward Fredkin）的可逆計(jì)算理念的啟發(fā)下，費(fèi)曼為大家開(kāi)辟了那條新路。

費(fèi)曼相信，一臺(tái)基于量子力學(xué)現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)在模仿量子力學(xué)現(xiàn)象上有著近水樓臺(tái)先得月的先天優(yōu)勢(shì)

“自然不是經(jīng)典的，如果你想模擬自然的話，那你最好去用量子力學(xué)?！?/strong>

在1982年發(fā)表的一篇論文中，諾貝爾獎(jiǎng)得主費(fèi)曼認(rèn)為，在計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)內(nèi)在地就需要指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的投入，而他給出的建議則是，使用量子計(jì)算機(jī)。費(fèi)曼相信，一臺(tái)基于量子力學(xué)現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)在模仿量子力學(xué)現(xiàn)象上有著近水樓臺(tái)先得月的先天優(yōu)勢(shì)——早在1980年，保羅·貝尼奧夫（Paul Benioff）就在論文里提到了基于圖靈機(jī)制造微量子力學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型的可能性。

1985年，牛津大學(xué)的大衛(wèi)·道勅（David Deutsch）在一篇論文里給出了量子計(jì)算的抽象模型，但是，此時(shí)大家的疑問(wèn)還是，量子計(jì)算機(jī)究竟能解決哪些實(shí)際問(wèn)題。7年后，道勅和理查德·約饒（Richard Jozsa）在論文里給出了他們的肯定答案：

“比起任何基于確定性算法的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)在解決問(wèn)題上所花的時(shí)間要少得多；比起任何基于隨機(jī)算法的計(jì)算機(jī)的預(yù)期時(shí)間，量子計(jì)算機(jī)也相對(duì)更少。”

但是僅僅有量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，沒(méi)有算法支持的計(jì)算機(jī)無(wú)疑遠(yuǎn)遠(yuǎn)都只能停留在遐想階段，要讓所有人都真正信服量子計(jì)算機(jī)的巨大先進(jìn)性，他們還需要更具說(shuō)服力的事實(shí)。

正是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，量子計(jì)算的研究取得了前所未有的豐碩成果，在各大公司實(shí)驗(yàn)室和院校機(jī)構(gòu)的共同推動(dòng)下，量子計(jì)算從科學(xué)家論文中的設(shè)想、算法逐漸落實(shí)到到實(shí)際制造的機(jī)器上。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的休爾發(fā)表了論文，在里面向大家展示了他的量子算法分解大數(shù)的質(zhì)因數(shù)的速度如何領(lǐng)先于當(dāng)時(shí)的已知任何計(jì)算機(jī)——分解一個(gè)1000位的數(shù)字，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大約需要耗費(fèi)10京（《孫子算經(jīng)》載“萬(wàn)萬(wàn)曰億，萬(wàn)萬(wàn)億曰兆，萬(wàn)萬(wàn)兆曰京”）年的時(shí)間，而利用量子計(jì)算機(jī)的話，只需要20分鐘左右。

休爾的量子算法將會(huì)對(duì) RSA 等在內(nèi)的加密算法和系統(tǒng)造成了顯而易見(jiàn)的沖擊，在此以前，破解一個(gè) RSA 129位密碼需要8個(gè)月時(shí)間以及1600名計(jì)算機(jī)用戶，然而用量子算法破解 RSA 140位密碼也只要數(shù)秒的時(shí)間而已。

休爾的發(fā)現(xiàn)使得量子計(jì)算機(jī)掀起了一場(chǎng)的風(fēng)暴，不僅席卷了物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，讓他們感受到新的計(jì)算工具蘊(yùn)含的巨大潛力，亦使得包括之前一直相信使用 RSA 算法的國(guó)家部門(mén)和各公司開(kāi)始認(rèn)真對(duì)待關(guān)注這個(gè)概念。

量子計(jì)算機(jī)第一次從科學(xué)家的象牙塔里走到了世人面前。

1995年，舒馬赫（Benjamin Schumacher）發(fā)表了論文，第一次提出了量子比特信息學(xué)上的概念，并創(chuàng)造了“量子比特”（qubit）的說(shuō)法。

比特（bit）是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)的構(gòu)件，它只存在兩個(gè)狀態(tài)0或1之間，在量子計(jì)算機(jī)中，情況卻并非如此。量子力學(xué)告訴我們，量子具有疊加態(tài)的特性，因而，量子計(jì)算機(jī)中的比特——即量子比特——同時(shí)就有了0與1的狀態(tài)，它既可以是1，亦可是0。基于量子平行，我們可以將這兩種狀態(tài)看成是處于兩個(gè)不同宇宙里，那么，當(dāng)一個(gè)量子比特進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，實(shí)際上是處于兩個(gè)宇宙里的數(shù)值在同時(shí)執(zhí)行。

包含3個(gè)量子比特的寄存器

3個(gè)比特可以代表8種狀態(tài)，但是寄存器卻只能記錄其中的一個(gè)結(jié)果，而3個(gè)量子比特構(gòu)成的寄存器同時(shí)也具備了其線性疊加態(tài)效果，于是可以同時(shí)記錄8種數(shù)值結(jié)果。通過(guò)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就能看出來(lái)量子計(jì)算機(jī)驚人的計(jì)算能力，是同數(shù)目（設(shè)為n）比特構(gòu)成的經(jīng)典計(jì)算機(jī)的2n倍。

理論上來(lái)說(shuō)，一個(gè)量子比特可以儲(chǔ)存的信息是無(wú)限的，當(dāng)被測(cè)量時(shí)，狀態(tài)滿足一些特定條件的量子比特才會(huì)釋出0或1那樣的結(jié)果，也就是說(shuō)，測(cè)量會(huì)使得量子比特從疊加態(tài)坍縮，反之，量子比特中存儲(chǔ)的信息將始終處于動(dòng)態(tài)演化過(guò)程之中，并且，通過(guò)量子門(mén)就能讀取其中的信息。

假設(shè)我們?nèi)?shù)字15來(lái)作為要分解的對(duì)象，設(shè)它作N，隨機(jī)選一個(gè)數(shù)字設(shè)作X，并且1

我們將這個(gè)運(yùn)算結(jié)果列表如下：

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)上述取值的運(yùn)算結(jié)果呈現(xiàn)出（1，2，4，8，1，2，4，8……）的重復(fù)數(shù)列，我們將重復(fù)的頻次命為 f，那么這個(gè)運(yùn)算中，f 的取值就是4。

通過(guò)寄存器B中一系列復(fù)雜的運(yùn)算執(zhí)行，上述的f可以在量子計(jì)算機(jī)中獲得，得出的f值會(huì)帶入下列公式計(jì)算出一個(gè)可能的因數(shù)。得出的結(jié)果不會(huì)一定就是正確的，但是生成f值的量子干涉會(huì)反復(fù)嘗試對(duì)x進(jìn)行代換從而篩選出正確的結(jié)果并排除錯(cuò)誤的答案。

這就是休爾的量子算法的整體思路，它向科學(xué)界和大眾真正展示了量子計(jì)算的強(qiáng)大威力。

計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)最基本的問(wèn)題就是非結(jié)構(gòu)化搜索，1996年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的拉夫·格羅夫（Lov Kumar Grover）在論文里提出了針對(duì)這一問(wèn)題的量子算法。假設(shè)有 N 個(gè)黑箱，每個(gè)箱中包含確定的1或0，每次打開(kāi)一個(gè)箱子記為一次搜索請(qǐng)求，那么如果我們想要尋找到包含1的箱子，那么最多講需要進(jìn)行N次請(qǐng)求，而格羅夫的算法則將其減少到了次。

量子計(jì)算機(jī)固然擁有眾多優(yōu)勢(shì)，但是這些基于量子力學(xué)上的特性也使得它本身較之經(jīng)典計(jì)算機(jī)更加不穩(wěn)定。和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、硬件并不一樣，量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)制造首先需要保證量子比特處于穩(wěn)定的相干疊加態(tài)的之中。

量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的能力是建立在量子相干態(tài)帶來(lái)的量子平行上的，一旦相干態(tài)中的量子比特在和外部環(huán)境發(fā)生量子糾纏之后會(huì)陷入退相干狀態(tài)，那么，此時(shí)的量子比特和傳統(tǒng)比特一樣只能表示一種狀態(tài)，也就是說(shuō)，不穩(wěn)定狀態(tài)下的量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比喪失了最大的優(yōu)勢(shì)——1995年，休爾和安德魯·斯迪恩（Andrew Steane）分別獨(dú)立發(fā)表了量子糾錯(cuò)的規(guī)劃，試圖以此來(lái)解決量子計(jì)算機(jī)在退相干上的隱患。

無(wú)論是休爾還是格羅夫的量子算法實(shí)際上都是建立在量子線路基礎(chǔ)上的，而量子線路和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣也包含導(dǎo)線——這里的導(dǎo)線在廣義上還包括粒子、光子乃至地域傳送、時(shí)間演化等——和邏輯門(mén)，前者用來(lái)傳輸信息，后者則負(fù)責(zé)操作。

新紀(jì)元：各種量子算法出現(xiàn)

如果量子計(jì)算僅僅是停留在模仿經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法的地步的話，那么量子計(jì)算本身在信息儲(chǔ)存和操作具備的巨大優(yōu)勢(shì)就會(huì)僅僅被用來(lái)在計(jì)算復(fù)雜性理論（computational complexity theory）上留下一些成果，而現(xiàn)實(shí)的物理世界及問(wèn)題則會(huì)被忽視。

于是，在基于量子線路基礎(chǔ)上的量子算法之外，還出現(xiàn)了其他的量子算法，而它們不僅確實(shí)能在一些應(yīng)用場(chǎng)景中超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，還能重新定義難解（intractability）和易解（tractability）問(wèn)題的抽象概念。

• 絕熱算法(adiabatic algorithm)

2000年，MIT和東北大學(xué)（Northeastern University）的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了絕熱算法（Adiabatic Algorithms），2004年，該算法被證明在多項(xiàng)式意義上等價(jià)于線路模型。

• 基于測(cè)量的量子算法（Measurement-Based Algorithms）

和量子線路模型以幺正演化（unitary evolution）作為基本機(jī)制來(lái)操作信息不同，該算法只使用非幺正測(cè)量手段作為可計(jì)算步驟，這套算法演變稱兩個(gè)主要門(mén)類，一是隱形傳態(tài)下的量子計(jì)算（teleportation quantum computing），二是單向量子計(jì)算機(jī)（one way quantum computer）。在2003年，該算法被證明在計(jì)算復(fù)雜性理論問(wèn)題上同樣等價(jià)于線路模型。

• 拓?fù)淞孔訄?chǎng)論（Topological-Quantum-Field-Theory Algorithms）

在2000年，有人已經(jīng)證明，該模型可以在標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)上被高效模擬，但是該算法的最大優(yōu)勢(shì)在于高容錯(cuò)性，而這就意味著大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的可能性。

1996年，賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）在論文里為費(fèi)曼曾經(jīng)提出的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想給予了肯定的答案，包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的任何量子系統(tǒng)都能通過(guò)程序化來(lái)模仿任意量子系統(tǒng)的行為，而且他還給出了對(duì)量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)展望：

“各式原子、分子以及半導(dǎo)體制成的量子設(shè)備的出現(xiàn)預(yù)示著量子模擬即將成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

1997年，第一個(gè)基于量子計(jì)算機(jī)的核磁共振模型提出，下一年，核磁共振技術(shù)就運(yùn)用到了2量子比特位的寄存器中，而到了2000年，寄存器中的量子比特?cái)?shù)量在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）手中增加到了7個(gè)。

和經(jīng)典計(jì)算機(jī)不一樣，量子比特并不天然存在，除了粒子阱之外，人們還嘗試了基于量子比特的偏振化光子、超導(dǎo)體、半導(dǎo)體以及拓補(bǔ)量子來(lái)作為量子比特，不斷地尋找最穩(wěn)定的量子比特載體。

2001年，IBM利用核磁共振技術(shù)激活7枚核自旋體使其成為量子比特，在成功運(yùn)行了上兆次之后，終于成功地將15質(zhì)數(shù)分解為3 × 5，量子計(jì)算機(jī)第一次將使得量子計(jì)算變成了現(xiàn)實(shí)——整整10年之后，中國(guó)的科學(xué)家利用4個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)了分解143。

2005年，人們成功地在粒子阱中控制住了8個(gè)量子比特，到了2010年，人們已經(jīng)可以在粒子阱中制造出14個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特。

到了2012年，早已經(jīng)不復(fù)往日風(fēng)光的 IBM 依然在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了驚人的成就，他們利用3D超導(dǎo)量子比特成功地使量子比特維持量子狀態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)到100微秒（μs，1微秒等于百萬(wàn)分之一秒）——對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們而言，這微不足道的剎那時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效的糾錯(cuò)機(jī)制的最低時(shí)間，而他們則能把更多的精力放在提高量子計(jì)算機(jī)規(guī)模的工程問(wèn)題上。

在量子計(jì)算風(fēng)起云涌的90年代，在IBM、貝爾實(shí)驗(yàn)室、MIT等各領(lǐng)風(fēng)騷的同時(shí)，一家4人聯(lián)合創(chuàng)辦的公司在遠(yuǎn)離量子計(jì)算研究應(yīng)用版圖中心的加拿大悄悄地成立了，此時(shí)正是20世紀(jì)的最后一年。

在之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間中，這家叫D-Wave的公司也并沒(méi)有引起多少人的注意和興趣，直到2007年，這家默默無(wú)聞的公司忽然推出了16位量子退火處理器原型獵戶座（Orion），而僅僅9個(gè)月后，他們又向外界展示了其27位處理器原型。

紅色為模擬退火算法，黑色為量子退火算法

D-Wave的量子退火算法的原理大體是這樣的：

和基于熱波動(dòng)原理的模擬退火（simulated annealing）不同的是，量子退火(Quantum annealing)利用了量子波動(dòng)。量子波動(dòng)使得量子具有穿透比它自身能量高的勢(shì)壘的能力，即量子隧穿效應(yīng)。量子退火通過(guò)模擬這一過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)化。

模擬退火算法要跳出局部最小點(diǎn)A到達(dá)全局最優(yōu)點(diǎn)B只能采用翻越勢(shì)壘的方式實(shí)現(xiàn)，因此以一定概率暫時(shí)接受較差的當(dāng)前解成為必須。量子退火算法則利用量子隧穿效應(yīng)，可以直接從 A 點(diǎn)穿透勢(shì)壘到達(dá)B點(diǎn)。因此，量子退火可能在某些問(wèn)題上具有比經(jīng)典模擬退火算法更好的性能。

這家公司就像一個(gè)粗魯而強(qiáng)壯的野蠻人一般風(fēng)風(fēng)火火地撞進(jìn)了由實(shí)驗(yàn)室和象牙塔里的科學(xué)家們經(jīng)營(yíng)維護(hù)的秘密花園，然后大無(wú)畏地蕩滌一切，兀自平靜地看著那群目瞪口呆猝不及防的人們。

加州大學(xué)伯克利分校教授阿麥?zhǔn)病ね邼衫誓幔║mesh Vazirani）這樣評(píng)價(jià) D-Wave 和他們的原型產(chǎn)品：“一個(gè)16位的量子計(jì)算機(jī)只比手機(jī)的處理器強(qiáng)一些，很難說(shuō)它代表了什么實(shí)用突破……即使 D-Wave 的‘量子計(jì)算機(jī)’的確是真的量子計(jì)算機(jī)，就算它有上千個(gè)量子比特，它也不必一部手機(jī)強(qiáng)上多少?！?/strong>

然而，4年之后，這家公司推出了運(yùn)行128位的一體量子計(jì)算機(jī)D-Wave One，代號(hào)“雷勒”（Rainier）的處理器主要用來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題，這被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)商用化的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其售價(jià)將近1000萬(wàn)美元。推出這臺(tái)機(jī)器之后僅僅4天，洛克希德·馬丁公司就和D-Wave簽署了一份購(gòu)買(mǎi)其機(jī)器、維護(hù)服務(wù)的長(zhǎng)年合同。

對(duì)D-Wave的懷疑并沒(méi)停息，一支研究團(tuán)隊(duì)表示，D-Wave One里的量子退火在運(yùn)算速度上并沒(méi)有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快上多少。

但是，對(duì)D-Wave批評(píng)質(zhì)疑的局面并非一成不變。

MIT的教授斯科特·艾倫森（Scott Aaronson）自稱“懷疑 D-Wave 者扛把子”（Chief D-Wave Skeptic），早在2007年他就宣稱D-Wave原型機(jī)展示“什么都沒(méi)法證明”。

隨著D-Wave One的推出以及更多關(guān)于支持D-Wave的研究——其中就包括發(fā)表在《自然》（Nature）上的論文——的出現(xiàn)，艾倫森也漸漸改變了自己的傾向，盡管依然堅(jiān)持自己的質(zhì)疑，但是，他最終還是表達(dá)了對(duì)D-Wave的祝賀，并宣布“從‘懷疑D-Wave者扛把子’任上退休”：

“過(guò)去4年來(lái)，大家一直要量子計(jì)算群體去評(píng)價(jià)一家只有冷水和餐盤(pán)的食肆，現(xiàn)在我很高興看到 D-Wave 終于端上了開(kāi)胃菜?！?/p>

2012年，D-Wave推出了代號(hào)“維蘇威”（D-Wave）的512位量子計(jì)算機(jī)D-Wave Two，同一年，這家公司和 Google、NASA合作在埃姆斯研究中心（Ames Research Center）組建了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室（Quantum Artificial Intelligence Lab）。

不同的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)D-Wave的能力有著幾乎截然相反的評(píng)價(jià)，有人認(rèn)為，在解決某些問(wèn)題上，它的機(jī)器的最快運(yùn)算速度是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的3600倍，而另外一些實(shí)驗(yàn)則顯示，在解決Prog-QAP問(wèn)題上，普通單核桌面處理器的速度最多是D-Wave的1.2萬(wàn)倍，在處理Prog-QUBO問(wèn)題上，前者最多是后者的160倍。

實(shí)際上，D-Wave對(duì)自己的機(jī)器有著清晰的界定：

這臺(tái)機(jī)器并非通用量子計(jì)算機(jī)，僅僅只用運(yùn)行優(yōu)化算法；

這臺(tái)機(jī)器的量子比特是有噪的，在容錯(cuò)閾值之下是無(wú)法運(yùn)行的；

并沒(méi)有大規(guī)模的量子糾纏；

一些良好調(diào)整的經(jīng)典優(yōu)化算法有時(shí)能超過(guò)D-Wave Two。

D-Wave 2X 量子計(jì)算機(jī)。 （Photo by Stephen Lam/Reuters）

在不斷的爭(zhēng)議和批評(píng)中，D-Wave在2015年發(fā)布了他們基于“喀邁拉圖”（chimera graph）架構(gòu)的新一代1152位（實(shí)際上并沒(méi)達(dá)到）量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng) D-Wave 2X。

一年之后，IBM推出了自己的5位量子計(jì)算機(jī)處理器，而正如它始終強(qiáng)調(diào)而D-Wave 欠缺的那樣，這是一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)，盡管藍(lán)色巨人已經(jīng)顯出傾頹跡象，但是它依然給自己的量子計(jì)算列出了未來(lái)10年周期的開(kāi)發(fā)計(jì)劃——在之后10年里開(kāi)發(fā)出50~100位的量子計(jì)算機(jī)。IBM研究院總監(jiān)阿爾文德·克里希納（Arvind Krishna）這樣說(shuō)道：

“量子計(jì)算機(jī)和今天的計(jì)算機(jī)非常不一樣，不只是因?yàn)闃幼踊蚴裁醋龀傻?，更重要的在于量子?jì)算機(jī)能做的事情?！?/p>

未來(lái)將至，巨頭公司入局

在D-Wave的一份官方PPT中，公司的CTO喬迪·洛斯（Geordie Rose）認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)最具顛覆性和吸引力的就是在分子維度上模擬自然，它在制藥、化工還有生物科技等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用，由此，量子計(jì)算可以撬動(dòng)涵蓋上述3個(gè)總價(jià)值3.1萬(wàn)億美元的市場(chǎng)。

這是10年前他在斯坦福大學(xué)演講時(shí)的期許。

回顧歷史，在麥克斯韋的19世紀(jì)，電磁物理推動(dòng)了電力的發(fā)展，使得人類社會(huì)的文明程度上升到前所未有的地步，毫無(wú)疑問(wèn)推動(dòng)了工業(yè)和商業(yè)的進(jìn)步?；厥走^(guò)去一百多年，戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，包括太空探索、計(jì)算機(jī)、核能開(kāi)發(fā)等技術(shù)革命幾乎都與量子力學(xué)有關(guān)，而這些技術(shù)最終也無(wú)一例外地反過(guò)來(lái)促進(jìn)了民用和商業(yè)。

量子計(jì)算研究的成熟和繁榮也毫無(wú)疑問(wèn)地有著這樣的效應(yīng)。

早在2002年，就有了第一家從事量子鑰分配的商業(yè)公司ID Quantique，10多年后，黑莓創(chuàng)始人邁克·拉扎里德斯（Mike Lazaridis）成立了1億美元的風(fēng)投基金投資量子計(jì)算，下一年，英國(guó)政府宣布投入2.7億英鎊來(lái)支持量子技術(shù)的研究和商業(yè)化。

現(xiàn)在，量子計(jì)算應(yīng)用最深入、最具現(xiàn)實(shí)性的領(lǐng)域毫無(wú)疑問(wèn)地是在通信方面。

早在1970年，斯蒂芬·威斯納就提出了“量子錢(qián)”（quantum money）的概念，最早利用量子的測(cè)不準(zhǔn)性來(lái)進(jìn)行加密，直到1983年這一設(shè)想才得以以論文的形式公諸于世，在威斯納思路的啟示下，BB84協(xié)議問(wèn)世。

量子通信的基本原理是這樣的，收發(fā)雙方的信息內(nèi)容是可以被編譯成光子偏振的，信息發(fā)送者利用隨機(jī)偏振發(fā)送信息，接受信息者發(fā)現(xiàn)并記錄下信息。然后，發(fā)送者在公頻告知接受者偏振頻率，兩者按照正確的偏振比對(duì)選擇的信息部分。如果在信息收發(fā)過(guò)程中有竊聽(tīng)者并試圖轉(zhuǎn)發(fā)信息的話，那么傾聽(tīng)者有一半的機(jī)會(huì)獲得正確的信息。

由于接受者獲得的信息中有一半是錯(cuò)誤的，他可以在公頻中將這些錯(cuò)誤信息和發(fā)送者選取隨機(jī)信息對(duì)比，然后重復(fù)收到錯(cuò)誤、對(duì)比的過(guò)程，直至得出正確的完整信息。也就是說(shuō)，在整個(gè)信息收發(fā)過(guò)程中，要做到隱瞞收發(fā)雙方竊聽(tīng)信息是不可能實(shí)現(xiàn)的。

正是基于上述的原理，量子通信可以最大限度地保證用戶的隱私和信息安全，也正因?yàn)檫@樣，量子通信在國(guó)家信息安全層面有著越來(lái)越迫切的現(xiàn)實(shí)需求，從根本上來(lái)說(shuō)，這也是包括中國(guó)、美國(guó)及歐洲紛紛跟進(jìn)的原因。

1992年，本內(nèi)特和威斯納共同提出了超密編碼協(xié)議（super-dense coding protocol），利用一個(gè)無(wú)噪纏繞比特信道和一個(gè)無(wú)噪量子比特信道模擬出了兩個(gè)無(wú)噪經(jīng)典比特信道，次年，本內(nèi)特等六人發(fā)表的論文提出了隱形傳態(tài)協(xié)議（teleportation protocol），利用兩個(gè)經(jīng)典比特信道和一個(gè)纏繞比特實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子比特的傳輸。

這兩個(gè)協(xié)議的提出奠定了整個(gè)量子信息理論的基礎(chǔ)，向我們展示了經(jīng)典通信源和量子通信源結(jié)合、有噪通信源和無(wú)噪通信源結(jié)合的可能性。在隨后20多年的時(shí)間里，量子通信開(kāi)始受到各國(guó)的重視并快速進(jìn)入應(yīng)用階段。

1993年，英國(guó)率先在10公里的光纖中實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)，4年之后，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)記錄地在48公里的地下光纖完成了量子密碼本的傳輸，1999年，日本和瑞典合作完成了40公里光纖的量子密碼通信。

中國(guó)在量子通信領(lǐng)域發(fā)表的論文遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家地區(qū) （來(lái)源：博客）

2000年，中國(guó)在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實(shí)驗(yàn)，到2004年，中國(guó)科學(xué)家在北京與天津之間成功實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分配，2005年，中國(guó)創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2009年，成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，同年8月，在合肥構(gòu)建了全球首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子保密通信。2010年，中國(guó)成功實(shí)現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳輸，比原世界紀(jì)錄提高了20多倍。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院以及北京郵電大學(xué)在論文發(fā)表數(shù)量上有著巨大優(yōu)勢(shì)。 （ 來(lái)源：博客）

在中國(guó)這個(gè)市場(chǎng)最大、資源最雄厚的地方，量子計(jì)算如野火一般燒遍各個(gè)領(lǐng)域，為焦土中的萌芽積攢下最肥沃的養(yǎng)料。尤其是在量子通信方面，中國(guó)在研究、應(yīng)用方面所獲得的成就全面領(lǐng)先于其他國(guó)家地區(qū)。除了墨子號(hào)的發(fā)射之外，現(xiàn)在，北京和上海之間建造的長(zhǎng)約2000公里的“京滬干線”是世界上第一條量子通信網(wǎng)絡(luò)。

與此同時(shí)，在通信之外的領(lǐng)域，量子計(jì)算同樣也有著誘人的吸引力。

在航空領(lǐng)域，洛克希德·馬丁之所以采購(gòu) D-Wave 的機(jī)器，就是因?yàn)橄扔械慕?jīng)典計(jì)算機(jī)在進(jìn)行飛機(jī)軟件實(shí)驗(yàn)時(shí)往往力不從心，無(wú)法應(yīng)付大量繁復(fù)的數(shù)據(jù)。同樣的道理，NASA 也早早意識(shí)到了量子計(jì)算在分析外太空行星軌道數(shù)據(jù)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，也早早地和 D-Wave 建立起了合作關(guān)系。

在天氣氣候方面，量子計(jì)算也有著讓人期待的表現(xiàn)，在處理計(jì)算大規(guī)模數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)使得人們對(duì)于天氣氣候模型的認(rèn)識(shí)了解更深入及時(shí)的話，那么就能帶來(lái)更準(zhǔn)確的天氣氣候預(yù)報(bào)，而更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)必然提高自然氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)防力度和治理效率，實(shí)際上密切關(guān)系著人們正常的生活工作。Google 的工程總監(jiān)曾經(jīng)如此評(píng)價(jià)道：“我們相信量子計(jì)算可以解決許過(guò)最具挑戰(zhàn)性的計(jì)算機(jī)科學(xué)問(wèn)題……如果我們想創(chuàng)造更有效的環(huán)境政策，我們就需要更好的模型來(lái)了解氣候究竟發(fā)生了什么。”

在制藥、生物科技方面，量子計(jì)算儼然一副救世主的面貌。這些行業(yè)推出一款可上市產(chǎn)品必然會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)分子結(jié)合的過(guò)程，而往往這些實(shí)驗(yàn)又以失敗告終，因此，通過(guò)量子計(jì)算來(lái)節(jié)省大量的時(shí)間和成本不僅有利于這些公司的商業(yè)訴求，反過(guò)來(lái)也能極大地降低抗癌藥等高價(jià)藥的成本，最終幫助到普通病患。而在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，基因?qū)蛹?jí)的分析實(shí)驗(yàn)等必然會(huì)成為醫(yī)學(xué)研究的主要方向之一，而這同樣需要借助到量子計(jì)算的力量。

事實(shí)上，量子計(jì)算同樣能夠推動(dòng)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等的演化進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)高科技技術(shù)之間的協(xié)同效應(yīng)。

1999年，阿拉姆·哈羅（Aram W. Harrow）、阿維納塔·黑斯登（Avinatan Hassidim）及賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）共同發(fā)表論文提出了一種嶄新的量子算法以解決線性方程式系統(tǒng)，經(jīng)典算法所需要的時(shí)間為O（Nk)，而該算法能將時(shí)間縮短至O(log(N)k2)。

機(jī)器學(xué)習(xí)就是識(shí)別系統(tǒng)中數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)，其主要任務(wù)就是在高維向量空間（high-dimensional vector spaces）里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操控和分類，經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的算法受制于數(shù)據(jù)量和空間維度所決定的多項(xiàng)式時(shí)間，而量子計(jì)算機(jī)則能通過(guò)利用張量積的空間（tensor product spaces）來(lái)操控高維向量。

這上述被稱之為 HHL 的量子算法正好可以施用于支持向量機(jī)（support vector machine），而羅伊德參與的另一篇論文指出，所有的量子支持向量機(jī)都能被用作進(jìn)行大數(shù)據(jù)分類，而且較之經(jīng)典計(jì)算機(jī)在速度上有顯著的優(yōu)勢(shì)。

而今，自動(dòng)汽車(chē)、自動(dòng)駕駛、腦機(jī)交互、自然語(yǔ)言處理乃至線上廣告、搜索引擎、推薦系統(tǒng)等都是機(jī)器學(xué)習(xí)的熱門(mén)領(lǐng)域，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)的話，我們可以毫不夸張地說(shuō)，量子計(jì)算實(shí)際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來(lái)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

實(shí)際上，如果我們留意墨子號(hào)報(bào)道的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)的量子衛(wèi)星項(xiàng)目中，阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站也是地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分。

而早在2015年，阿里巴巴就與中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合成立了量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。

根據(jù)他們的規(guī)劃，到2025年，量子模擬將達(dá)到當(dāng)今世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的水平，初步應(yīng)用于一些目前無(wú)法解決的重大科技難題；到2030年，研制具有50~100個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算原型機(jī)，自主研發(fā)物理層設(shè)計(jì)、制造及算法，全面實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算功能，并應(yīng)用于大數(shù)據(jù)處理等重大實(shí)際問(wèn)題。

除了處理購(gòu)物網(wǎng)站頁(yè)面搜索、購(gòu)買(mǎi)、交易等方面產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)之外，對(duì)這家中國(guó)目前市值最高的互聯(lián)網(wǎng)公司而言，量子算法最大的價(jià)值和意義在于更好地利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生更大的效益。

從金融、共享經(jīng)濟(jì)再到文娛產(chǎn)業(yè)，所有的這些產(chǎn)品與服務(wù)實(shí)際上都和中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)息息相關(guān)，而中國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)用戶又是全世界最龐大最復(fù)雜的群體，要優(yōu)化甚至商業(yè)化這些數(shù)據(jù)，僅僅依靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)或者經(jīng)典算法或許還能應(yīng)付當(dāng)前的局面，但要如阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人所言成為橫跨3個(gè)世紀(jì)的百年企業(yè)的話，它無(wú)疑需要更具前瞻性和戰(zhàn)略性的技術(shù)作為儲(chǔ)備和殺手锏。

對(duì)它而言，對(duì)Google、微軟、特斯拉等公司而言，它們都是抱著同樣的心理。

而這亦是促使從我們這個(gè)漫長(zhǎng)故事開(kāi)頭的奧斯特到麥克斯韋再到普朗克、玻爾以至圖靈、休爾、格羅夫到今天的潘建偉等人成為時(shí)代風(fēng)云人物的原因。

如果說(shuō)量子計(jì)算時(shí)代已經(jīng)到來(lái)的話，我們不得不說(shuō)，至今我們依然沒(méi)有一臺(tái)真正公認(rèn)的量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世；如果說(shuō)量子計(jì)算時(shí)代還很遠(yuǎn)的話，我們又必須承認(rèn)，利用量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)生的成果正越來(lái)越多地應(yīng)用到我們的生活之中去。

這是量子計(jì)算的故事，也是歷史的故事。

量子計(jì)算概念股：福晶科技、華工科技、三力士、神州信息、凱樂(lè)科技、天海防務(wù)。

量子計(jì)算概念股

那么問(wèn)題來(lái)了：最值得配置的量子計(jì)算概念股是哪只？即刻申請(qǐng)進(jìn)入國(guó)內(nèi)首個(gè)免費(fèi)的非公開(kāi)主題投資交流社區(qū)概念股論壇參與討論！