当全世界计算机领域的巨头们都兴奋于量子计算火候已到，纷纷豪掷重金投入这场“未知”风口时，我们不妨冷静地来看看它究竟成长到了哪个阶段~

谈到量子技术，我们不约而同都会想到量子通信。在全球首颗量子通信卫星“墨子号”的重磅代言下，量子通信一词成功打入人民群众内部。

但其实，通信只是量子技术应用的一个领域而已，作为一项底层技术，量子技术的应用标地可不仅限于此。根据英国政府科学办公室近期发布的一份量子技术报告《量子技术：时代机会》，这里边就提及了未来量子应用的五大领域，分别是：原子钟、量子成像、量子传感和测量、量子计算和模拟、量子通信。该报告还认为，这几大领域有望挖掘出新产品和新服务价值。

于是我们今天就来看看多面量子的另一面：量子计算。

量子计算之于物联网的重要性

随着物联网体量的不断扩增，大数据和计算性能凸显出愈加重要的地位。日益激增的大数据流急需更加敏捷和精准的分析处理技术，因此对现有的计算性能提出了更高的要求。

另一方面，计算领域近年来受制于摩尔定律的大限，硅芯片逼近物理和经济成本上的极限，从业者们纷纷开始寻求芯片集成度以外的突破点。在此，量子计算被寄予厚望，与内存中运算、分子电子学、神经形态计算等技术一起，被看做是未来有望驱动计算性能的指数级增长的“拯救者”。

最近大火的人工智能也要依赖量子计算——人工智能领域最大的挑战之一就是处理海量数据，而这正是量子计算机的优势所在。早在2015年中科大就测试过能够辨认手写字体的量子人工智能，而那仅仅是一台4 qubits的量子计算机，难以想象千位量子计算机会是一种怎样的概念。

MIT机械工程教授Seth Lloyd说，一台300Q的量子计算机就足以运算自宇宙大爆炸以来历史上所有的数据信息。IBM认知计算系统Watson的CTO表示，量子计算和人工智能的协同合作是一件非常自然的事情。如果人工智能想要超越并提升人类的认知水平，运算必须要更快，探测更敏捷，耗能更低。量子计算机极有可能帮助我们实现所有的目标。

一旦真正意义上的千位通用量子计算机面世，在很多领域都会掀起计算革命。

先声明一点，量子计算机不是用来取代经典计算机的，而是为了处理经典计算机无法解决的问题。

那么，量子计算机是什么？首先，要知道量子是什么。

一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。所有的微观粒子包括分子、原子、电子、光子，它们都是量子的一种表现形态。世界本身都是由微观粒子组成的。所以，某种意义而言，我们身处的这个世界就是由量子组成的。

其次，量子计算是什么？

量子计算是一门利用量子力学现象（例如量子叠加态和量子纠缠态）对数据进行处理的计算科学。在最终的运算结果上，量子计算机和传统计算机没有任何不同，它们唯一的不同在于运算过程中的天壤之别。

一般而言，由晶体管构成的传统比特在特定时刻只能处于0或1这两种状态中的一种，所以计算能力有限。然而，量子比特可以处于0和1的叠加态。若某个量子比特和其他量子比特彼此之间存在纠缠态，那么这一组量子比特可以同时表示大量的数。而一台真正意义上的量子计算机将包含几百甚至上千个量子比特，其计算能力将是无比强大的。

另一方面，量子计算所遵从的薛定谔方程是可逆的，不会出现非可逆操作，熵增原理导致的量子效应耗能很小，正是提高量子计算并行运算能力的物理基础。

最后，量子计算机就是遵循并利用量子力学规律，进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置。其运行的是量子算法，处理速度惊人，比起传统计算机，量子计算机的计算处理能力可提升百亿亿倍。

知道了什么是量子计算机，那不妨来回顾下量子计算机短小精悍的成长史：

史蒂芬·威斯纳在1969年最早提出“基于量子力学的计算设备”。1980年代一系列的研究使得量子计算机的理论变得丰富起来。在1981年五月的MIT物理学和计算机技术的一次会议上，1918年出生的美国物理学家理查德·费曼，作了一个“Simulating Physics With Computers”的报告，揭开了研究发展量子计算机的新篇章。

大事记列表

1982年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出“量子计算机”的概念。

1994年，贝尔实验室的彼得·秀尔证明量子计算机能够完成对数运算，且速度远胜传统计算机。

1997年，科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。

2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，基本符合了量子力学的全部本质特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。

2007年，维也纳大学的安东·齐林格和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛的两个岛之间传输了一份量子信息，传送距离超过了143千米。

2010年1月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。

2010年3月，德国于利希研究中心发表公报：该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。

2012年3月，IBM做到了在减少基本运算误差的同时，保持量子比特的量子机械特性完整性。

没有巨头愿意输在量子计算起跑线

近来全球许多国家和机构都在争相研发量子计算机,除了美国的谷歌、IBM、耶鲁大学等机构之外,日本、澳大利亚等国家也另辟蹊径，潜心开展了量子计算芯片等的研制项目。

在国内通过不同方法开展量子芯片研究的有中国科技大学、南京大学和中科院物理所等单位,分别采用了半导体量子点芯片、超导量子芯片的方案；企业投入研发者较少。

IBM

2014年，IBM宣布耗资30亿美元研发下一代芯片，主要是量子计算和神经计算。2016年的5月，IBM发布了5个量子比特的量子计算云服务。

现在IBM正在研发基于超导效应的量子逻辑门架构的通用量子计算机。其中，IBM还完成了两个很重要的突破：

一是同时检测两种量子误差（quantum errors）：1. bit-flip， 2. phase-flip。从而大大增强量了子计算机的稳定性。二是IBM提供了有史以来最好的可扩展性。当然落实在实际硬件开发应该还会有新的问题。IBM接下来的目标应该是把量子比特加到50至100。再往后就需要更多的研发资源了。

谷歌

2014年，谷歌宣布：来自加州大学圣巴拉拉分校的知名物理学家约翰·马提尼斯研究组加入谷歌研发量子计算处理器， 随后，美国宇航局NASA与谷歌合作开发出D-Wave量子模拟机，并宣布对某些问题的求解速度已超过传统计算机1亿倍。

但学术界还是有许多人认为这不是真正的通用量子计算机，而是量子退火机：量子退火算法则是量子力学的绝热演化过程，模拟了量子力学里的量子隧穿效应。

谷歌在2016年9月提出“quantum supremacy”量子机研制计划，并在其公布的量子计算机研究报告中称，它们计划明年增加至49量子比特！这是一个极为关键的门槛。有学者预计，在50量子比特左右，量子计算机就能达到“量子霸权”。这对于计算机产业链的从业者们，简直是比中500万个大订单更有诱惑力。

对于只能解决特定问题的量子计算机，谷歌为何如此热衷呢？可能是因为量子退火机运行的算法和谷歌最关心的领域有关，比如用于搜索。另外，MIT研究员William Oliver也认为，这些特定算法可能非常有利于模式识别和机器学习。这些恰恰都是谷歌的主力业务。

英特尔

去年年末，英特尔宣布，不走谷歌的“超导材料”路线，而是要用硅材料来开发量子计算机。

英特尔在美国俄勒冈州波特兰拥有一支量子硬件工程师团队，他们正与荷兰代尔夫特理工大学QuTech量子研究所的研究人员展开合作。2015年，双方共同成立了规模5000万美元的项目。

这种战略让英特尔在众多研究量子位的工业和学术团体中表现突出。量子计算机的基本单元是量子位。其他公司利用超导电路去实现量子位，但英特尔认为，这样的量子位数量有限，量子计算机需要数千或数百万的量子位才能得以广泛应用。因此，选择硅量子位更容易完善和扩展硅量子位，从而让其快速计算。

英特尔曾报告称，他们现在可以在芯片工厂中，将量子计算机所需的超纯硅层加到标准芯片上。

微软

早在2005年，微软就建立了“Q站”（StationQ），由数学家米切尔·弗里德曼（Michael Freedman）领导，从事量子计算基础研究。目前已经基本完成了基本量子比特模块的设计，正在进行样机设计。

微软认为，量子计算正处在理论研究转向工程研发的转折点。考虑到一旦成功带来的巨大收益，微软不惜豪掷重金冒量子之险。

量子计算火候已到，微软不想错过这样一个风口。最近，微软宣布将着手量子计算工程样机研发，把已经进行了十多年的量子计算机研究工作付诸于实践，而且其宣称这可能是一台能击败谷歌和IBM的量子计算机样机。

它选择的独特研发路径。与谷歌和IBM使用超导导线环作为量子比特不同，微软的思路是基于一种被称为“任意子”（anyons）的粒子，这种粒子只能存在于二维空间。并选择是拓扑量子比特技术。原理是电子通过半导体结构时会出现准粒子，它们的交叉路径可以用来编写量子信息。

与此同时，微软还启动了相应的量子计算软件研发项目，目的在于开发能够求解复杂问题的软件。软硬件之间的研发工作可以互相推动，共同促进。

上述几家巨头的背后，均有美国政府的影子。2016年，美国总统科学技术办公室发布量子信息文件称：“预计几十个量子比特、可供早期量子计算机科学研究的系统可望在5年内实现。”

美国之所以进展迅速，就在于其在量子计算机硬件、软件乃至应用方面都有明确的布局和集中攻坚的力量。

在谈及量子技术时，国人常常会有莫名奇妙的优越感，甚至妄自尊称“量子霸权”。诚然，量子通信近些年的技术和研发成果十分亮眼，但量子技术整体的水平，中国与美国仍有差距。英国政府《量子技术：时代机会》中，对全球各国的量子技术排名中也有所体现：

中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿先生对于这个问题，不无感慨地说：

我们跟美国相比确实差距太大，这个差距，第一个研究水平有差距，这个可以看得出来，第二个是研究队伍和力量有差距。这些其实也有明显的差距，这就是我们的现状。

美国政企在量子计算机领域的完善布局已经上升到国家行为的层面，这或是中国应该借鉴的。

虽然如此，但好在国人一些产业和研究院校、机构有所觉醒，也在一直在量子领域奋勇直追，比如阿里已经和中科院共同成立了一个量子计算机研究室，其中中国科学院在量子信息技术方面处于国际先进水平。该实验室计划到2025年，量子模拟将达到当今世界最快的超级计算机的水平，2030年达到目前顶级超算的百亿亿倍。

另外，欧洲在量子技术领域也有重大布局。

在2016年欧洲量子会议上，欧盟发布《量子宣言》，宣布将支持一项十亿欧元的量子技术旗舰计划。《量子宣言》对量子计算机的研制做出了详细部署，他们计划5年内发展处量子计算机新算法；5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子计算机解决化学和材料科学难题”，并使研制出的通用量子计算机“超过传统计算机的计算能力”。

另外，2016年底，独立后的英国政府也发布量子技术报告《量子技术：时代机会》，提出重视量子应用五大领域，促进量子领域竞争。未来会与国际接轨，建立创新中心，联合学术界和工业界，让量子技术商业化。

其他地区

澳大利亚近年来专注于硅基、磷掺杂的量子计算方案，并于今年年初成立了硅基半导体量子计算国家实验室。这些努力为取道半导体方案研制量子计算机奠定了基础。

俄罗斯也在加紧研究的步伐。俄国家研究型工艺技术大学与俄罗斯量子中心正在启动大型量子技术中心。该中心将进行量子通信和量子电子学研究，还计划为量子技术领域的青年人才制定并实施教学项目。

通用的量子计算机何时到来？

“量子计算机何时能够被研发出来？”

郭光灿向国外同行抛出这个问题时，得到的答案是：“也许明天早上，也许要等上50年，也有可能我们这辈子永远都看不到。”

迄今为止，物理学和计算机学界仍在争议——能否制造出像支持者设想的那样工作的量子计算机。

现在量子计算机所处的阶段,也与当初传统计算机刚出现时的情况有些类似。本年度2月《科学进展》期刊上,英国萨塞克斯大学、谷歌公司、日本理化学研究所、丹麦奥胡斯大学和德国锡根大学的科学家联合发布了一项大型量子计算机蓝图。设计者表示,这样的机器占地可能超过一个足球场,耗资至少1亿英镑(约合8.6亿元人民币)。

其实，这与世界上第一台计算机诞生时,真空管占满半间教室的情形何其相似~

原文发布时间： 2017-02-15 19:59

本文作者： 物联网智库

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