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【中關村在線原創】在今天如果問計算機領域最前沿的是什麼，我個人認為一方面是機器學習、神經網路的運用讓人工智慧表現出了超越人類的能力，比如明天就要在烏鎮與柯潔下圍棋的Alpha Go，就打破了過去一直認為的、複雜的圍棋計算機還難以超越人類的觀念；另外一個領域，則是屬於量子計算機，可以說我們極有可能是幸運的一代人，有機會親歷量子計算帶來的變革。量子計算機 那麼什麼是量子、什麼又是量子計算機？我覺得作為中關村在線的網友有必要知道。我在翻閱了不少資料之後，寫出此文，希望能用淺顯的語音能讓你有所了解這個全新的領域，多少也知道量子理論誕生的來龍去脈。經典物理學的挑戰 我們先把時鐘撥回到一個多世紀以前的十九世紀末、二十世紀初。很奇怪，能在一個時代集中出現如此之多的科學巨匠在人類整個文明史上也不多見，但那個時代恰好正是。以牛頓為代表的經典物理學在一代代人的深入研究之後，終於來到了突破的十字路口。對黑體輻射的研究產生了突破 冬天北方人為主，都會有暖氣。而南方則普遍是空調，於是有人說空調加熱沒有暖氣舒服。這其中的道理，就與熱的傳遞方式有關。熱有三種傳遞方式：傳導、對流和輻射，暖氣的輻射熱有點類似陽光的熱輻射，所以我們感覺上更好。一百多年以前，正式對於黑體輻射的深入研究，打開了量子物理世界的大門。光的研究有力佐證了量子理論，後面會說到 十九世紀末的時候，人民普遍認為經典物理學已經非常完善了。但是很多實踐中的觀察發現，當處於高速狀態下的時候，經典物理學就會出問題。這其中重要的研究對象是光。我們都知道牛頓用三稜鏡把陽光折射成立七種顏色，牛頓堅持認為光是由一份份粒子組成的，因為光可以用鏡子反射。為了紀念麥克斯韋，nVIDIA的一代GPU的核心就以他的名字命名 但是菲涅爾等人在18世紀早期發現了光的干涉現象，和水波紋一樣，這是光是一種波的證明。那麼光到底是小顆粒還是一直波，爭議了很久。在1873年，另一個偉人麥克斯韋發表了電磁理論，並且實驗測速發現電磁波的速度和光速差不多，於是得到結論是光也是一種電磁波。普朗克與愛因斯坦 當時經典物理學有個很重要的研究對象就是絕對黑體。這個物體在冷的時候不發光，而是吸納光線和熱。在電磁學理論之後，絕對黑體的理論又有了進展。當時人們已經知道熱輻射也是電磁波的一種形式。對高熱物體發光變色的研究導致了悖論出現 我們都知道鐵加熱會變紅，當溫度高的時候會熔化發出白光或是藍光，可以看到的光就是它輻射出來電磁波的可見部分。當溫度變冷之後不是不輻射，而是我們看不見，相比之下紅外攝像機、膠片就能看到很多肉眼看不到的熱輻射。那麼當一個物體升溫進而因為高溫發熱，會得到這樣的推論，隨著溫度升高、輻射的增強，從紅色變成藍色的時候，應該是所有波段的都增強，但藍色的短波段會增強更多，進而我們觀察到的是藍色，而不是紅色部分。但是這個理論繼續推論的話，會發現當溫度繼續升高后，紫外部分輻射出去的能量會越來越高而接近無線大，這顯然與觀測是不符合的，事實上是會衰減。普朗克第一次提出能量是一份份傳輸的，並給出了量子的定義 在1900年，普朗克給出了一個理論來解釋這個現象，那就是把一個物體想象成為無數個諧振的小的振子的集合，輻射就是這些振子（就是今天我們知道的原子或是分子）的震動，它們的振幅是一定的，而頻率可以從0到無窮大。當分割了物體之後，普朗克推導出來一個經驗公式，這個公式裡面，他首次提出，能量的傳遞不是人們想象當中的連續傳遞，而是一份份的傳遞，每一份是個很小的量，這個量是6.6260693×10-34焦耳·秒，這個量被稱之為普朗克常數，每一份普朗克稱之為「量子」。並且得到一個著名的方程： E=nhf 在當時，科學界普遍認為的觀點是普朗克得到的結論只是一種「數學技巧」。但是在5年之後的1905年，愛因斯坦用普朗克的理論解 釋了光電效應，即一束光的能量也是一份份傳輸的，並且和頻率相關，這個理論有點類似牛頓的光的顆粒說，但是結合了波的頻率性質。愛因斯坦的光電效應佐證了普朗克的量子理論 至此，能量按照一份一份的傳遞的量子學說開始深入人心。而普朗克的量子理論、愛因斯坦的光電效應都獲得了諾貝爾獎。波爾、薛定諤、海森堡：量子理論的完善 在那個物理大發現的時代，盧瑟福在1911年提出了原子核的結構理論。在這個模型當中，電子是圍繞著原子核的中子、質子高速運動的。而在更早的1887年，通過金箔實驗科學家就發現了電子，並且知道電子是圍繞這個一個非常小的小核心在高速運動。但是在這裡，按照經典物理學的解釋，電子在運動的過程中，是要不斷的輻射電磁波能量的，最終會導致它能量喪失、會墜入到原子核當中。這顯然和實際的結果是不符合的。波爾的電子軌道理論光譜得到的電子軌道的分佈 當時這個問題困擾了無數的物理學家：電子是如何維持軌道的？波爾給出的理論是，電子的軌道是量子化的，就跟今天地球的同步衛星高度是36000公里一樣，只佔據特定的軌道，並且對單一元素進行光譜分析之後可以證實波爾的理論。德布羅意通過對波爾的學說進行解釋，得到了著名的波粒二象性理論。波爾因為原子結構的理論獲得了1922年諾貝爾物理學獎。薛定諤 薛定諤這個名字翻譯的不錯，筆者剛知道這名字還以為是人……他最著名的就是那個不知死活的貓的理論。作為一代物理宗師，薛定諤假設電子就是繞著原子核轉的一種波，那麼在數學上可以表達為一種波函數的方程，這就是著名的薛定諤方程，在波函數方程中，薛定諤給出了軌道的名稱、軌道的形狀以及軌道的傾角（後來泡利又給出了自旋）。而在1926年這位大神又證明了海森堡研究的矩陣力學的理論和他的波動力學是數學上等價的，但倆人的理論並不一樣。薛定諤因為原子理論上的新發現，獲得了1933年的諾貝爾物理學獎。海森堡取得諾獎成果的時候才23歲 薛定諤認為軌道是連續的，而海森堡的矩陣力學則認為軌道是不連續的，存在量子躍遷，薛定諤則認為海森堡的理論夠愚蠢。當然神仙們因為理論不同打嘴架的事情我們普通人也就聽個樂子。海森堡的理論認為，電子現在原子核外面，像一片雲，可能的軌道有多個，每個軌道對於不同的量子數，因此我們無法知道電子具體在哪裡，只能知道它在哪個軌道的概率，這被稱之為「測不準原理」。海森堡的理論是對玻爾模型的進一步完善。海森堡提出這些理論的時候，只有23歲,可謂英雄出少年，他獲得了1938年諾貝爾物理學獎。爭論了一輩子的波爾與愛因斯坦 關於量子理論的部分我們就介紹到這裡，只涉及了一個公式，基本是以講故事的方式來敘述近百年前的偉人們帶給這個世界的巨大發現。但是可以說波爾和愛因斯坦爭論了一輩子，微觀世界量子理論有效、宇宙尺度是相對論有效，並不相容，大統一理論是到現在也是沒有征服的課題。量子計算與量子計算機 量子物理告訴我們有測不準原理，而量子還有很多有意思的特性，比如量子的疊加態、量子糾纏等等。在計算機的發展的過程中，上個世紀研究者開始研究利用量子的特性來進行計算的可能性。硬碟的磁極NS改變只能存儲一種狀態量子比特可以同時存儲多個狀態，比如3位的量子比特，就可以存儲8種狀態 我們正在使用的計算機存儲器，比如磁碟，用磁極的NS來代表0或是1兩個狀態。但是量子這裡不是這樣，量子疊加態的存在可以讓它同時存儲多個狀態，比如磁碟上是非0即1，但量子比特可以同時存儲0和1。如果一個量子存儲器的位數很長，這裡打比方是3位，那麼傳統的計算機只能表達101或是類似的一個數字，但在量子比特這裡，是多個態疊加的，所以可以存儲8位之內的多個數，以此為推論，如果量子存儲器的位數夠大，就能存儲更恐怖的數，直到超過今天超級計算機的能力。勒索病毒加密就用了RSA演算法，目前暴力破解還不可能 這讓大規模的并行計算具有一定的可能性。這裡要提到的是RSA加密演算法。這個演算法的原理很簡單，用大質數做密鑰，當數字足夠大的時候，我們今天的傳統計算機解密需要的時間會非常的長。比如要得到一個一百萬位數字的密鑰，過去的辦法我們只能挨個試驗，這讓解密的過程非常慢，可能要幾萬年。但是量子計算力有個著名的Grove演算法，可以一次搜索100萬個數字，由於量子干涉會讓上次的搜索影響下一次的結果，這樣只要搜索1000次，就有一半的幾率得到正確的結果，如果量子計算機可行，那麼尋找答案的速度是幾分鐘。量子計算機可能會加速蛋白摺疊，讓我們更快的找到合適的藥物 這是巨大的進步。比如過去有個項目叫做Fold@home，要在自家電腦後台跑一個小程序進行蛋白質摺疊尋找新葯，用量子計算機就可以很快的得到所有摺疊后的可能，這讓藥物研發的速度會大大加快。正源於此，對於量子計算的研究一直在進行中，不過直到幾年前，都還是處於理論推導的狀態。D-Wave與量子退火 前面說的都是理論，而研究人員需要的是成品量子計算機。而第一個號稱做出來量子計算機的，是一個加拿大的公司，名字叫做D-Wave。它使用了著名的量子退火進行計算，這個我們稍後介紹，關鍵是它的客戶，包括了洛克希德-馬丁、谷歌以及NASA。喜馬拉雅山脈哪裡比較低？量子計算相當於提供了這樣的上帝視角，可以快速找到最低的地方 這個量子退火演算法說起來還有點麻煩。一般來說都是用尋找山谷最低的地方來解釋。比如有一片山峰，哪裡是最低的地方？笨辦法自然就是一個地方一個地方的去量，看看哪裡最低。但是也有可能是有個山峰比較高，它旁邊的谷底距離頂峰高度差最大，但未必是最低處，那麼這個地方就是局部最低，並非要找的目的地。但如果換個辦法，坐太空飛行器，一眼可以比較多個地方，很快就能找到，量子退火演算法就是利用量子的隧穿效應來尋找最優解。D-Wave的機器，可以看到非常巨大 而D-Wave的量子計算機只能運行量子退火一種演算法，是針對性開發的機器，所以學術界很多時候並不認為這是完全的量子計算機。D-Wave的機器具有128個量子比特，用三維伊辛模型來設置我們給定的初始狀態，也就是設置好初始位置和自旋，這相當於我們給計算機編程。然後添加一個磁場，讓量子進入疊加狀態，然後慢慢撤掉這次磁場（即所謂退火），最終得到的狀態就是結果，這個過程中，大自然就會自己幫我們計算，這就是量子計算的神奇之處。同樣的任務執行4000次，得到的最優解就是D-Wave的計算結果。D-Wave的量子計算機大量都是液氦冷卻裝置 當然，要達到量子退火狀態的條件異常苛刻，D-Wave的機器工作溫度是0.02開爾文，也就是說僅僅比絕對零度高一點點，所以龐大的機器裡面大量元器件都是液氦冷卻裝置。與光量子計算機 在量子科學領域，來自科學技術大學的潘建偉院士及其團隊一直走在全球的前沿，是科學界的驕傲，在最近幾年，我們挺到了很多潘建偉院士團隊所進行的前沿量子通信領域的報道，包括墨子號量子科學實驗衛星，首次驗證了超遠距離兩個糾纏光子依舊保持聯絡的理論預言。《自然-光子學》雜誌發表了團隊10光量子比特的論文 5月3號，中科院召開新聞發布會，科學技術大學教授潘建偉及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學教授王浩華研究組，近期在基於光子和超導體系的量子計算機研究方面取得了系列突破性進展。在光學體系方面，研究團隊在2016年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首台超越早期經典計算機的單光子量子計算機。在超導體系方面，研究團隊打破了之前由谷歌、美國國家航空航天局（NASA）和加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）公開報道的九個超導量子比特的操縱，實現了目前世界上最大數目的十個超導量子比特的糾纏，並在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子演算法。相關係列成果發表於國際學術期刊《自然—光子學》和《物理評論快報》上。 當然我們期待在未來我們能率先突破商品化的數十個量子比特的量子計算機，那樣人類的計算領域會打開新的一頁。IBM與System Q IBM一直在前沿科技的研發上具有卓越的傳統。5月17日，IBM的兩個量子計算機平台在處理能力方面都取得了飛躍的成績。該公司今日宣布，至目前為止功能最強大的兩台量子計算機已經完成構建和測試成功。以研究和業務為重點的「Quantum Experience」通用計算機和原型處理器將最終構成「IBM Q」量子系統商用的核心。IBM的量子計算系統研究，看結構和D-Wave的很像，應該也是需要冷卻到很低的溫度實現超導著名的Github上，IBM關於量子計算的API IBM的量子計算機與D-Wave的不同，IBM希望開發出通用的量子計算機產品。能夠進行通用的量子計算。並且IBM開放了量子計算的API，這樣可以通過編程來調用IBM的量子云計算能力。 藥物和材料研究 供應鏈和物流 人工智慧 金融服務 雲安全問題 以上就是IBM希望通過量子云計算平台來解決或是優化的問題。不過現在IBM的量子計算機還只到16-18量子比特的級別，距離理想的量子計算機還有些距離，這有點像當年的英特爾4004處理器，也需要進化。 量子計算機是救世主嗎？ 我們都知道今天的計算機集群已經非常快了，包括經常更新的Top500計算機排名。對於量子計算機來說，如果量子比特的位數不夠，顯然只有研究上的價值，還不能進行更有價值的計算，因為現在的計算機集群夠大、CPU和GPU足夠多、也可以模擬量子計算機的計算方式，當然這樣並不經濟也沒效率。不知道中美哪邊能率先實現50量子比特的計算機商品化 量子計算機的特色是量子比特的位數，前面說過的科學家團隊將量子比特位數提升到了兩位數，實現了10個超導量子，IBM則聲明自己有16個。而根據國外的預計，量子比特達到50位，即可實現所謂「量子霸權」，科學界希望能在未來幾年實現這個目標，在遠期則希望達到百萬位的量子比特。搶奪量子計算的霸權，是今天前沿研究的焦點之一 前面我們提到了若干量子計算的演算法，但那些演算法的提出到今天已經有年頭了，目前也沒有什麼同等量級的重要量子計算演算法出現。而且量子計算機領域更沒有開發語言，所以現在說實用化還為時有些早，可能要十年時間才能成熟起來。 半導體摩爾定律顯然到了5-7納米就遇到了瓶頸，這一天的到來已經指日可待，量子計算會接過這個大旗嗎？而量子計算需要的超導環境，目前看顯然不適合我們家裡用。今天對於量子計算機的研究與發展，筆者看來頗似上世紀第一台計算機ENIAC誕生的時代，一切只是剛剛開始。