淺析量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算原理與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

量子，作為十大裝逼話題之一，吹牛時(shí)捎上幾句，效果棒棒的！不但咱民科喜歡吹，各國(guó)官科也好這口：俄羅斯量子中心測(cè)試了全球首個(gè)“量子區(qū)塊鏈”系統(tǒng)；中科大量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)在固態(tài)系統(tǒng)中對(duì)三維量子糾纏態(tài)的量子存儲(chǔ)，俗稱“量子U盤”；美國(guó)羅切斯特大學(xué)研發(fā)出一種抗干擾的“量子雷達(dá)”；德國(guó)弗勞恩霍夫開發(fā)了微磁場(chǎng)下的“量子傳感器”；荷蘭將建全球首個(gè)“量子互聯(lián)網(wǎng)”；谷歌發(fā)布全球首個(gè)72量子比特通用“量子計(jì)算機(jī)”……懵了沒？

鑒于全球的過熱吹捧，咱潑點(diǎn)冷水，先重新認(rèn)識(shí)一下量子力學(xué)這位幕后英雄。

百年量子

19世紀(jì)末物理學(xué)差不多就被技術(shù)榨干了，所幸20世紀(jì)初誕生了相對(duì)論和量子力學(xué)。相對(duì)論直到今天幾乎還是一塊未開墾的處女地，人類這一百年的技術(shù)進(jìn)步主要靠消化量子力學(xué)，只是消化方式比較單一：量子力學(xué)>新材料>應(yīng)用技術(shù)。

量子力學(xué)以“新材料”方式推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，比如半導(dǎo)體材料導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誕生?，F(xiàn)在的材料學(xué)、化學(xué)、固體物理、核物理的理論基礎(chǔ)都是量子力學(xué)，可見其貢獻(xiàn)之大。

除此之外，量子理論很少(是很少)有直接應(yīng)用，不然我們的生活就變得和修仙界差不多了，瞬移術(shù)、穿墻術(shù)、分身術(shù)滿天飛。

如果說，人類挖掘自然規(guī)律是一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)的話，理論物理便是正面戰(zhàn)場(chǎng)。自20世紀(jì)中葉以來，人類奮戰(zhàn)半個(gè)世紀(jì)，竟無寸功！引用劍橋大學(xué)物理學(xué)家Neil Turok的話：“自1970年代后，所有的理論工作都還沒有產(chǎn)生一個(gè)成功的預(yù)言?！睋Q句話說，理論物理已經(jīng)原地踏步快半個(gè)世紀(jì)了！前陣子的上帝粒子和引力波驗(yàn)證的是上個(gè)世紀(jì)的理論。

于是，留給工程師的只有兩條路，其一，正面硬杠相對(duì)論；其二，開辟量子力學(xué)的第二戰(zhàn)場(chǎng)，即通過“非材料”的方式開發(fā)量子力學(xué)，也就是現(xiàn)在媒體們叫的“量子技術(shù)”。

顯然后者更靠譜些，畢竟量子力學(xué)多少還是有些成熟的直接應(yīng)用，比如原子鐘、掃描隧道顯微鏡等。順便開個(gè)玩笑，如果原子鐘是今天發(fā)明的，按照現(xiàn)在的氛圍，名字一定叫“量子鐘”。

量子計(jì)算機(jī)、量子通信等技術(shù)的涌現(xiàn)，正是在量子力學(xué)領(lǐng)域開辟的第二戰(zhàn)場(chǎng)，但這并不代表人類在與自然爭(zhēng)斗的戰(zhàn)場(chǎng)上高歌猛進(jìn)，相反，它可能是人類對(duì)現(xiàn)存理論物理的最后一點(diǎn)應(yīng)用開發(fā)了。

冷水潑完了，下面該澆熱水了。

運(yùn)算原理

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的一次運(yùn)算，究竟指啥？

回顧前文：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1和0是用電流(或電壓)實(shí)現(xiàn)的，有電流代表1，沒電流代表0。所謂運(yùn)算，本質(zhì)上是把一大串1和0，變成另一大串1和0，而這個(gè)轉(zhuǎn)變過程是由一堆PN結(jié)組成的電路完成的，也就是處理器。

我們平時(shí)說的32位處理器或64位處理器，指的是一次能處理的最大位數(shù)。比如32位處理器一次可以把一串32個(gè)1、0組成的指令變成另一串1、0，假如你有一串320個(gè)1、0組成的指令，那就得排著隊(duì)，一組一組進(jìn)入處理器，一共得處理10次。所以這效率嘛，就有點(diǎn)勉強(qiáng)。當(dāng)然，這是膚淺的理解，將就一下！

有個(gè)事情別搞混了，計(jì)算機(jī)一般用“浮點(diǎn)運(yùn)算”表示性能，和上面說的運(yùn)算含義不同，就像百米沖刺是看誰先到終點(diǎn)，而不是看誰步數(shù)邁得多。

雖然處理器動(dòng)不動(dòng)每秒多少多少億次，但實(shí)際上干不了多少活，因?yàn)橐粋€(gè)很簡(jiǎn)單的操作，就要處理成堆成堆的1、0。舉個(gè)粒子：

猜猜這是啥？這是放大了約50倍的手機(jī)屏幕(親手拍的，保管錯(cuò)不了)，縮小一些：

看看，手機(jī)上的白色，就是三種顏色挨得近了而已！再縮小，就成了絢麗多彩的畫面：

現(xiàn)在我們輕輕劃一下屏幕，想象一下這些三色發(fā)光點(diǎn)得忙成啥樣？

這個(gè)蹩腳的例子，隱約說明了處理器的窘境，它就像一臺(tái)超大功率抽水機(jī)，但面對(duì)汪洋大海一般的數(shù)據(jù)，顯然有些力不從心。

于是，解決思路來了。

其一，能不能別用1和0這種笨辦法表示數(shù)據(jù)？從而把汪洋大海變成湖泊溪流，減少數(shù)據(jù)總量。這個(gè)……留給未來的數(shù)學(xué)天才吧！

其二，能不能別用電流電壓來實(shí)現(xiàn)1和0？這還真有，比如機(jī)械硬盤的1、0是用磁針方向?qū)崿F(xiàn)的，不過調(diào)整磁針方向遠(yuǎn)不如控制電流電壓方便，所以，從硬盤拷電影的時(shí)候，處理器還有空閑干其他活。

必須得找到更好的物理現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)1和0，使得處理器性能輕松飆升，一口氣把汪洋大海抽干了。

行文至此，主角登場(chǎng)。

量子計(jì)算原理

開山鼻祖得認(rèn)識(shí)一下，量子力學(xué)的大神級(jí)人物，費(fèi)曼。他老人家說，既然世界是量子的，那研究世界最終還得靠量子的方法，于是提出了量子計(jì)算機(jī)的概念！

量子通信是量子糾纏的直接應(yīng)用，這茬前文已經(jīng)說過了，而量子計(jì)算機(jī)則是量子疊加態(tài)的直接應(yīng)用。何謂“疊加態(tài)”？

你以為我又要說“薛定諤的貓”了吧？偏不！咱換個(gè)比喻，疊加態(tài)這玩意兒和眼神有點(diǎn)像，一個(gè)眼神可以既包含愛，又包含恨；再細(xì)分一些，可以包含65%的愛和35%的恨；更重要的是，愛和恨互不干擾，也就是說，看到愛的人看不到恨，看到恨的人看不到愛。

比如，本僧一個(gè)眼神瞄過來，有人感受到愛，有人感受到恨，于是這倆人又分別一個(gè)眼神瞟給下一個(gè)，最后得到不同的計(jì)算結(jié)果。

若是換成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，本僧得先和一人說我愛你，再和另一人說我恨你，得發(fā)兩次信息，于是效率就低了。

回到正經(jīng)的說法，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能把數(shù)據(jù)一組一組塞到處理器里，而量子計(jì)算機(jī)可以把多組數(shù)據(jù)疊在一起，一次性塞進(jìn)去。這是量子計(jì)算機(jī)最主要的優(yōu)越性：并行計(jì)算。

為了表明本僧略懂量子力學(xué)，容我顯擺個(gè)公式，能看懂的盆友，若有機(jī)會(huì)來老和山，本僧親自為你化緣。

總的來說，用疊加態(tài)描述信息，1個(gè)量子態(tài)可以同時(shí)包含2個(gè)信息，2個(gè)量子態(tài)就是4個(gè)，3個(gè)量子態(tài)就是8個(gè)，以指數(shù)增長(zhǎng)。這是非常驚人的，傳統(tǒng)的32位處理器一次只能塞32個(gè)信息，而10個(gè)量子態(tài)一次就可以塞1024個(gè)信息，如果增加到50個(gè)，性能就達(dá)到了當(dāng)前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，而100個(gè)量子態(tài)就達(dá)到了全世界計(jì)算能力總和的100萬倍。

回過頭說，為什么粒子有疊加態(tài)這么奇葩的屬性？答案只有兩個(gè)字：呵呵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)

原理有了，用什么技術(shù)去實(shí)現(xiàn)呢？這種疊加態(tài)信息怎么做運(yùn)算呢？運(yùn)算后又怎么輸出呢？如果沒有量子力學(xué)的功底，很難理解這個(gè)技術(shù)過程，大伙看個(gè)味道就散了，不要深究！

切記，不要自學(xué)量子力學(xué)，簡(jiǎn)稱：不自量力。

光量子計(jì)算機(jī)

先以中科大潘建偉老師的光量子計(jì)算機(jī)為例，畢竟名氣最大嘛。如果非要分類的話，潘老師首先是量子通信專家，其次才是量子計(jì)算機(jī)專家，所以用光子比較順手，以光子的偏振方向代表1和0。

首先是單光子源，這家伙每次只產(chǎn)生一個(gè)光子，一個(gè)光子被特定晶體劈成兩半就可以成為相互糾纏的2個(gè)光子，多劈幾次就可以產(chǎn)生5個(gè)糾纏光子(可翻看前文《再話量子世界》)，然后分成5路進(jìn)入光學(xué)量子網(wǎng)絡(luò)，接著在這個(gè)16×16 矩陣中，對(duì)光量子進(jìn)行操作，最后用單光子探測(cè)器，探測(cè)量子計(jì)算結(jié)果。

光子被劈得越多，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的要求就越高，目前潘建偉團(tuán)隊(duì)成功劈出了5個(gè)糾纏光子，運(yùn)算性能首次超過人類第一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

不過還是得強(qiáng)調(diào)一下，雖然咱光量子計(jì)算走在了世界前列，但現(xiàn)在說成量子計(jì)算機(jī)為時(shí)過早，甚至連CPU都算不上，只能說把量子計(jì)算這條路趟開了。

滿足一下好奇心，如此科幻的設(shè)備，該是長(zhǎng)啥樣？

這感覺，是不是有點(diǎn)當(dāng)年30噸重的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的味道了？有沒有可能把這堆東西也壓縮到指甲蓋那么大呢？

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)

用光子做載體優(yōu)點(diǎn)很明顯，缺點(diǎn)也很明顯，光子這玩意兒轉(zhuǎn)瞬即逝，沒法做更細(xì)膩的操作，普遍認(rèn)為可延展性不強(qiáng)，能做到10個(gè)量子態(tài)就算大仙了。

超導(dǎo)量子系統(tǒng)相比于其他量子系統(tǒng)，有無可比擬的可操作性和可延展性，被認(rèn)為更有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的量子芯片，這貨可以輕松做到幾百個(gè)量子比特。同樣的，優(yōu)點(diǎn)明顯，缺點(diǎn)也明顯。

超導(dǎo)量子計(jì)算的核心單元是一種“超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體”三層結(jié)構(gòu)的約瑟夫森結(jié)，電子有一定概率穿透中間的絕緣層，跳到另一層超導(dǎo)體上，但是這種電子的自由度很高，不那么聽話，所以錯(cuò)誤率賊高。

還記得2017年5月3日刷屏的新聞吧？《首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)在中國(guó)誕生》，那次其實(shí)一口氣發(fā)布了2臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，除了光量子計(jì)算機(jī)，還有一臺(tái)10量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)(賣相不太好看，見下圖)。

把那天的事情再捋一捋：光量子計(jì)算機(jī)用5個(gè)糾纏光子，運(yùn)算速度超過了人類第一臺(tái)計(jì)算機(jī)；超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了10量子比特糾纏，打破之前谷歌的9量子比特紀(jì)錄。這是兩件事，也是兩撥人做的。

離子阱量子計(jì)算機(jī)

相比不聽話的電子，離子的個(gè)頭就大多了，控制起來相對(duì)容易，量子邏輯門也更容易實(shí)現(xiàn)，所以離子阱量子計(jì)算機(jī)是最早的量子計(jì)算機(jī)方案。

把原子外面的電子打飛就得到了離子，用低溫把離子關(guān)起來，用它的兩個(gè)能級(jí)代表1和0，測(cè)量能級(jí)有很成熟的技術(shù)，觀察光譜就行，而且只要激光一照離子就能當(dāng)邏輯門使用，實(shí)現(xiàn)1和0的轉(zhuǎn)化，完成邏輯運(yùn)算。

但是呢，幾個(gè)離子還關(guān)的住，數(shù)量一多也就放羊了，而且激光操作的效率實(shí)在有些感人，問題也是一堆。這套路主要是奧地利因斯布魯克大學(xué)和美國(guó)科羅拉多大學(xué)在玩。

因斯布魯克大學(xué)的離子阱

其他

微觀領(lǐng)域的量子效應(yīng)一抓一大把，所以實(shí)現(xiàn)途徑還有：液相或固態(tài)核磁共振、中性原子、光學(xué)(波導(dǎo))、腔量子電動(dòng)力學(xué)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)，等等，玩家多集中在歐美中。

爭(zhēng)議

雖然媒體上一片祥和，但業(yè)內(nèi)的爭(zhēng)議從沒停過，悲觀者認(rèn)為現(xiàn)在是群魔亂舞、嘩眾取寵，而樂觀者認(rèn)為翻天覆地只在旦夕間，馬上可以攜手走入新時(shí)代。那么，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是啥呢？

李逵和李鬼

下面這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，你要整明白了，說你是外行都沒人信。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)靠邏輯門完成運(yùn)算，同樣的，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算也需要邏輯門。復(fù)雜點(diǎn)說，就是通過幺正變換來實(shí)現(xiàn)量子比特從一個(gè)狀態(tài)變換到另一個(gè)狀態(tài)。更復(fù)雜點(diǎn)說，量子邏輯門，就是量子力學(xué)中的幺正算符，幺正算符作用到量子態(tài)上，使量子態(tài)按照要求進(jìn)行演化。

這么玄幻的東西，長(zhǎng)啥樣？非常抱歉，大伙都在懵逼中……簡(jiǎn)單點(diǎn)說，現(xiàn)在所謂的量子計(jì)算機(jī)，幾乎都是沒有邏輯編碼的。更簡(jiǎn)單點(diǎn)說，量子計(jì)算機(jī)暫時(shí)還沒辦法把1變成0、把0變成1。更不客氣的說，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)不具備真正意義上的運(yùn)算能力。

那我們還起個(gè)什么勁?。?/p>

別急，還有救。

2013年美帝兩位計(jì)算機(jī)科學(xué)家S. Aaronson 和A. Arkhipov提出了“波色取樣”，通過對(duì)經(jīng)過線性器件處理的玻色子概率分布進(jìn)行抽樣，可以很快求出矩陣常值。啥意思呢？

借個(gè)圖說明一下，無數(shù)的量子比特經(jīng)過特定的矩陣之后，分布是有一定規(guī)律的(如上圖)，把這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出來就可以算出矩陣常值。

反正這是一個(gè)純數(shù)學(xué)問題，說多了我也暈。咱只要知道，這對(duì)人工智能極有用處，比如圖像搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

從學(xué)術(shù)上說，這并不是一臺(tái)真正的計(jì)算機(jī)，于是，科學(xué)家們?nèi)×藗€(gè)新名字“專用量子計(jì)算機(jī)”，俗稱量子模擬機(jī)。

與之對(duì)應(yīng)的就是“通用量子計(jì)算機(jī)”，這貨有量子邏輯門，能把1變0，是真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。

可惜的是，前者商業(yè)化速度快趕上摩爾定律了，后者卻仍在龜速挪動(dòng)中。

漫天飛舞的量子計(jì)算機(jī)

既然閹割版的量子計(jì)算機(jī)在人工智能方面展現(xiàn)出了誘人前景，那商業(yè)巨頭們還不得像鯊魚聞到血腥味。于是，資本一到，量子滿天飛。

最早登場(chǎng)的是加拿大D波公司，2011年洛克希德馬丁以1000萬美元買了D波公司的第一臺(tái)128量子比特的商業(yè)化專用量子計(jì)算機(jī)D-Wave One，2013年5月Google又以1500萬美元買了第二代512量子比特的D-Wave Two，現(xiàn)在D波公司已經(jīng)推出了2000量子比特的計(jì)算機(jī)。你沒看錯(cuò)，是2000個(gè)量子比特，不過，實(shí)測(cè)情況很尷尬……這擦邊球水平快趕上中國(guó)乒乓球隊(duì)了。

2015年谷歌聯(lián)合其他單位實(shí)現(xiàn)了9量子比特；2017年5月咱發(fā)布了10量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)；同月，IBM推出了16量子比特；10月，英特爾出了17量子比特；11月IBM直接飆到了50量子比特；2018年1月英特爾跟上了49量子比特……這節(jié)奏太緊張，看看圖放松一下：

依次是英特爾的“7-Qubit、17-Qubit、49-Qubit”量子芯片原型。

這罐子里的就是IBM的量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)槭浅瑢?dǎo)材料，需要極低溫環(huán)境。IBM的量子計(jì)算機(jī)可供大眾網(wǎng)絡(luò)訪問，不過大伙不用去湊熱鬧了，使用體驗(yàn)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)毫無差別。打開罐子是這個(gè)樣子：

高清大圖：

詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖：

有沒有覺得，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的造型比光量子計(jì)算機(jī)科幻很多？這是最新的升級(jí)版：

這種地盤，谷歌必然不會(huì)缺席，2018年3月號(hào)稱要推出72位的通用量子計(jì)算機(jī)，看仔細(xì)，是“通用”量子計(jì)算機(jī)！谷歌欲一舉定乾坤，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”(這是個(gè)術(shù)語，意思是你們可以歇菜了，我的計(jì)算機(jī)足夠全世界一起用)，后來谷歌可能覺得牛皮吹破了，又出來不痛不癢謙虛了一番。

谷歌取名字還是很有一手的，用地球上最古老的樹木Bristlecone狐尾松，來命名他們的72量子比特量子計(jì)算機(jī)。

還有更玄乎的，2015年加州大學(xué)圣芭芭拉分校首次發(fā)現(xiàn)，人腦認(rèn)知可能是一種量子效應(yīng)，于是要把大腦量子計(jì)算機(jī)化。呃，原來咱們?nèi)巳硕柬斨慌_(tái)量子計(jì)算機(jī)??！

總的來說，專用量子計(jì)算機(jī)(不是通用量子計(jì)算機(jī))在美帝融資算是順利的，谷歌、IBM、英特爾領(lǐng)跑，后面還有亞馬遜、高盛、黑莓、微軟、惠普，甚至還有CIA的資金。

國(guó)內(nèi)就冷清多了，除了國(guó)家投錢，貌似只有“阿里巴巴量子計(jì)算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，2018年2月上線了11量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算服務(wù)的云平臺(tái)。

后記

看過紅紅火火的專用量子計(jì)算機(jī)，再看舉步維艱的通用量子計(jì)算機(jī)，兩者境遇令人唏噓！能真正改變世界的通用量子計(jì)算機(jī)，前程堪比“聚變發(fā)電”，說多了都是淚。

2018年2月有則默默的小新聞：郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體量子芯片研制方面再獲新進(jìn)展，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體體系中的3量子比特邏輯門操控，為未來研制集成化半導(dǎo)體量子芯片邁出堅(jiān)實(shí)一步。

仔細(xì)看這段新聞及最后一句評(píng)價(jià)，能看出名堂嗎？圈個(gè)重點(diǎn)：邏輯門操控。

但凡關(guān)心量子技術(shù)的，幾乎無人不識(shí)潘建偉，卻鮮有人知郭光燦。潘建偉是媒體封的“中國(guó)量子之父”，郭光燦是官方認(rèn)證的“中國(guó)量子之父”，中國(guó)量子技術(shù)的開創(chuàng)者和奠基人，妥妥的中國(guó)第一人。實(shí)際上，潘建偉正是郭光燦從奧地利挖回來的。

郭光燦在理論方面的貢獻(xiàn)也非常豐碩，他提出的“利用光腔制備兩原子糾纏的方案”，被法國(guó)科學(xué)家沙吉·哈羅徹實(shí)驗(yàn)證實(shí)，后者因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在中國(guó)最有可能得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的名單上，郭光燦是熱門人選。有興趣的同學(xué)可以看看這篇專訪《量子信息奠基人郭光燦：別人造星，我造“科技界富二代”》。