量子計(jì)算機(jī)還遙遠(yuǎn)嗎？

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的狂飆突進(jìn)式發(fā)展，軟件與硬件逐漸分離，底層硬件逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)展會越來越受限制，而量子計(jì)算則有望成為新的突破口。 舉例來說，用一個(gè)破譯案例分別讓傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)同時(shí)去破譯。經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要用上100年才能破譯的密碼，而量子計(jì)算機(jī)用1秒鐘就能攻破。

看似遙不可及的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)性能全球第一；2020年9月，中科院院士潘建偉教授宣布團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成對50個(gè)光子的玻色取樣。當(dāng)21世紀(jì)結(jié)束的時(shí)候，本世紀(jì)或許將會被總結(jié)為“量子計(jì)算”的世紀(jì)。本文，我們將為你呈現(xiàn)人類在量子計(jì)算領(lǐng)域的不懈探索，以及其未來的應(yīng)用方向。 2020年，[紅杉匯]推出全新欄目“紅杉愛科學(xué)”，將更多地把目光投向前沿科技領(lǐng)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(guān)乎人類生存方式的科技進(jìn)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(gè)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(rèn)識范圍內(nèi)物質(zhì)世界的“基本法”。 用個(gè)類比：古時(shí)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(xì)胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化學(xué)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(jì)的經(jīng)典物理學(xué)解釋；但進(jìn)入二十世紀(jì)后，科學(xué)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(xué)。 量子物理是人類迄今為止建立的最基礎(chǔ)、最精確的科學(xué)理論，現(xiàn)代物理學(xué)的主體就是量子力學(xué)在各種不同物質(zhì)尺度上的具體延伸和應(yīng)用。然而，依人們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)和直覺來看，這套規(guī)律非常詭異，尤其是下面三點(diǎn)： 量子疊加 (quantum superposition)：在量子世界中，物體可以同時(shí)處于不同狀態(tài)的疊加上。從另一個(gè)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(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)攜帶著信息，使得發(fā)生糾纏的各個(gè)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(xué)正式建立距今已有九十多年，是一套相當(dāng)成熟的科學(xué)理論，但“如何控制量子物體”的研究卻一度進(jìn)展地相當(dāng)緩慢。相比于對微觀世界的認(rèn)識，人類在實(shí)驗(yàn)上控制、測量量子系統(tǒng)的能力還相對落后，由此導(dǎo)致的結(jié)果是，人類對量子力學(xué)的應(yīng)用至今仍非常初級。

什么是量子計(jì)算機(jī)？

量子計(jì)算機(jī)不是“下一代計(jì)算機(jī)”，不是電子計(jì)算機(jī)的升級版，而是科學(xué)家構(gòu)想中的一種高度復(fù)雜、高度可控的人造量子系統(tǒng)，是人類當(dāng)前設(shè)想中最復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度最大的量子機(jī)器。 科學(xué)家預(yù)測，經(jīng)典計(jì)算機(jī)未來仍將承擔(dān)收發(fā)郵件、視頻音樂、網(wǎng)絡(luò)游戲等功能，而量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)無法模擬的領(lǐng)域，并在 AI 計(jì)算領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)算力進(jìn)行提升。

量子計(jì)算機(jī)基于量子疊加和量子糾纏等原理制成?？梢杂芍摹把Χㄖ@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(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。 將一只貓關(guān)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(jī)關(guān)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(xué)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(yīng)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(dāng)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(jì)算機(jī)在經(jīng)過量子算法運(yùn)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(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)合理，量子計(jì)算機(jī)運(yùn)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(fù)雜的計(jì)算問題，經(jīng)典算法需要進(jìn)行各態(tài)遍歷等重復(fù)操作，算法的復(fù)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(jì)算結(jié)果概率即可知道正確結(jié)果。 量子計(jì)算的原始概念可以追溯至上世紀(jì)70年代，那時(shí)經(jīng)典計(jì)算機(jī)行業(yè)剛剛進(jìn)入騰飛階段。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較好的一種方式，這是量子計(jì)算最早的火花。 在1982年發(fā)表的一篇論述使用計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)的論文中，諾貝爾獎得主、理論物理學(xué)家費(fèi)曼認(rèn)為，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)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(jì)算機(jī)。 1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的休爾發(fā)布了一篇論文，一下子讓量子計(jì)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(gè)1000位的質(zhì)因數(shù)所需要的時(shí)間，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大約需要10萬萬兆年的時(shí)間，而量子計(jì)算機(jī)的話只需要20分鐘就可以做到。這樣的對比，讓量子計(jì)算的概念迅速傳播開來。

在1998年，英國牛津大學(xué)的研究人員宣布他們在量子計(jì)算領(lǐng)域獲得了突破性進(jìn)展，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子比特來進(jìn)行信息的運(yùn)算。時(shí)間快進(jìn)到2017年，IBM 證明了用50個(gè)量子比特來進(jìn)行計(jì)算是可行的。在20年的時(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)IBM Summit需要10,000年才能完成的計(jì)算?！都~約時(shí)報(bào)》將谷歌這次獲得的研究成功與萊特兄弟的飛機(jī)首飛所取得的成就相提并論。 近年來，國內(nèi)關(guān)于量子計(jì)算的嘗試也取得了極大成果：2016年長征二號丁運(yùn)載火箭發(fā)射升空，中國發(fā)射出了全球首顆設(shè)計(jì)用于進(jìn)行量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星“墨子號”；2020年9月，中科院院士潘建偉教授宣布團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成對50個(gè)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(jì)算機(jī)如何應(yīng)用？

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院認(rèn)為，對于量子計(jì)算元年的到來仍然無法精確預(yù)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(yīng)用市場中占據(jù)較大規(guī)模。隨著時(shí)間的推移，搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)等市場占比將逐步擴(kuò)大，成為量子計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的主流。 ?生物醫(yī)藥 量子計(jì)算可集中應(yīng)用于藥物研發(fā)中期，理由有如下三點(diǎn)。

其一，藥企擁有大量研發(fā)費(fèi)用，并且已經(jīng)形成外包合作的研發(fā)習(xí)慣和模式。 其二，據(jù)部分制藥行業(yè)高管預(yù)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(shí)間。同時(shí)，更優(yōu)的分子設(shè)計(jì)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(yàn)篩選分子庫，消耗大量金錢時(shí)間。而通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分子模擬，經(jīng)典計(jì)算機(jī)壓力已經(jīng)顯現(xiàn)，以現(xiàn)有人類的計(jì)算能力模擬量子化的原子消耗的時(shí)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(xué)基礎(chǔ)理論和臨床反饋對計(jì)算資源依賴較少，而研發(fā)中期存在大量模擬計(jì)算，成為量子計(jì)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(shè)計(jì)和催化劑有望較早應(yīng)用量子計(jì)算；光伏行業(yè)的宏觀環(huán)境有望應(yīng)用量子計(jì)算。

化工企業(yè)擁有大量研發(fā)費(fèi)用，并且也形成某些環(huán)節(jié)外包合作的研發(fā)習(xí)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(jì)算短期內(nèi)只能應(yīng)用于世界頂級的化工企業(yè)或其資助扶植的科研機(jī)構(gòu)?？茖W(xué)家認(rèn)為，工業(yè)設(shè)計(jì)和催化劑兩個(gè)環(huán)節(jié)是量子計(jì)算最有應(yīng)用前景的環(huán)節(jié)。 光伏行業(yè)的外包研發(fā)習(xí)慣尚待培育，量子計(jì)算將從宏觀環(huán)境要素的計(jì)算需求入手。在“生產(chǎn)制造-布設(shè)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(gè)方向具有計(jì)算需求。但前者太陽能電池板制造技術(shù)相對成熟，各方改善的意愿不強(qiáng)；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(yīng)用前景。

金融工程 量子優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子加速蒙特卡羅算法將成為三大量子金融計(jì)算應(yīng)用方向。 量子計(jì)算將解決金融公司未來對增加計(jì)算能力的需求，同時(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)消耗更少的能源。量子計(jì)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(jì)算機(jī)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(jià)格中提供最佳套利機(jī)會。

機(jī)器學(xué)習(xí)：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(shí)估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和最大利潤。同時(shí)，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱馬爾可夫模型可以為股價(jià)提供更好更快的預(yù)測。 量子加速蒙特卡羅算法：量子計(jì)算可以為衍生品定價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)分析的蒙特爾卡羅方法進(jìn)行二次計(jì)算，降低計(jì)算成本和時(shí)間。

數(shù)字安全 非對稱加密算法在互聯(lián)網(wǎng)后端技術(shù)中常用于登錄、數(shù)字簽名、數(shù)字證書認(rèn)證等場景，是計(jì)算機(jī)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(shí)質(zhì)為大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解等數(shù)學(xué)難題，無法被現(xiàn)有技術(shù)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(xué)家認(rèn)為其未來有望加速密碼破解。據(jù)估計(jì)，依現(xiàn)有糾錯(cuò)能力需百萬級位數(shù)以上物理量子比特方能完整運(yùn)行Shor算法破解加密算法，而迄今量子計(jì)算機(jī)的物理量子比特?cái)?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(jì)算能做的事情還有待長時(shí)間地發(fā)掘，但量子計(jì)算的研究過程將是人類物質(zhì)科學(xué)和工程的一次本質(zhì)進(jìn)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(shí)極大地?cái)U(kuò)展了人類工程實(shí)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(jì)算機(jī)的各種應(yīng)用可能都不是最重要的，就像17世紀(jì)的人想象不到什么是手機(jī)一樣，我們現(xiàn)在也不知道當(dāng)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(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還比較遙遠(yuǎn)，但量子計(jì)算仍是當(dāng)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(jì)人類對太空發(fā)起挑戰(zhàn)時(shí)說的“We choose to go to the moon”。

來源： 《2020已過大半，量子計(jì)算機(jī)發(fā)展如何了？》The Affluent Society 《深度好文｜當(dāng)前量子計(jì)算技術(shù)前沿是什么水平？》第五智庫 《量子計(jì)算，下一個(gè)必爭之地》騰訊研究院

原文標(biāo)題：2020接近尾聲，量子計(jì)算機(jī)還是遙不可及的夢想嗎？| 紅杉愛科學(xué)

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