千呼萬喚，何時出來？巨頭們重金砸量子計算機會不會打水漂？

當全世界計算機領域的巨頭們都興奮于量子計算火候已到，紛紛豪擲重金投入這場“未知”風口時，我們不妨冷靜地來看看它究竟成長到了哪個階段~

談到量子技術，我們不約而同都會想到量子通信。在全球首顆量子通信衛星“墨子號”的重磅代言下，量子通信一詞成功打入人民群眾內部。

但其實，通信只是量子技術應用的一個領域而已，作為一項底層技術，量子技術的應用標地可不僅限于此。根據英國政府科學辦公室近期發布的一份量子技術報告《量子技術：時代機會》，這里邊就提及了未來量子應用的五大領域，分別是：原子鐘、量子成像、量子傳感和測量、量子計算和模擬、量子通信。該報告還認為，這幾大領域有望挖掘出新產品和新服務價值。

于是我們今天就來看看多面量子的另一面：量子計算。

量子計算之于物聯網的重要性

隨著物聯網體量的不斷擴增，大數據和計算性能凸顯出愈加重要的地位。日益激增的大數據流急需更加敏捷和精準的分析處理技術，因此對現有的計算性能提出了更高的要求。

另一方面，計算領域近年來受制于摩爾定律的大限，硅芯片逼近物理和經濟成本上的極限，從業者們紛紛開始尋求芯片集成度以外的突破點。在此，量子計算被寄予厚望，與內存中運算、分子電子學、神經形態計算等技術一起，被看做是未來有望驅動計算性能的指數級增長的“拯救者”。

最近大火的人工智能也要依賴量子計算——人工智能領域最大的挑戰之一就是處理海量數據，而這正是量子計算機的優勢所在。早在2015年中科大就測試過能夠辨認手寫字體的量子人工智能，而那僅僅是一臺4 qubits的量子計算機，難以想象千位量子計算機會是一種怎樣的概念。

MIT機械工程教授Seth Lloyd說，一臺300Q的量子計算機就足以運算自宇宙大爆炸以來歷史上所有的數據信息。IBM認知計算系統Watson的CTO表示，量子計算和人工智能的協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類的認知水平，運算必須要更快，探測更敏捷，耗能更低。量子計算機極有可能幫助我們實現所有的目標。

一旦真正意義上的千位通用量子計算機面世，在很多領域都會掀起計算革命。

先聲明一點，量子計算機不是用來取代經典計算機的，而是為了處理經典計算機無法解決的問題。

那么，量子計算機是什么？首先，要知道量子是什么。

一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現形態。世界本身都是由微觀粒子組成的。所以，某種意義而言，我們身處的這個世界就是由量子組成的。

其次，量子計算是什么？

量子計算是一門利用量子力學現象（例如量子疊加態和量子糾纏態）對數據進行處理的計算科學。在最終的運算結果上，量子計算機和傳統計算機沒有任何不同，它們唯一的不同在于運算過程中的天壤之別。

一般而言，由晶體管構成的傳統比特在特定時刻只能處于0或1這兩種狀態中的一種，所以計算能力有限。然而，量子比特可以處于0和1的疊加態。若某個量子比特和其他量子比特彼此之間存在糾纏態，那么這一組量子比特可以同時表示大量的數。而一臺真正意義上的量子計算機將包含幾百甚至上千個量子比特，其計算能力將是無比強大的。

另一方面，量子計算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會出現非可逆操作，熵增原理導致的量子效應耗能很小，正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎。

最后，量子計算機就是遵循并利用量子力學規律，進行高速運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。其運行的是量子算法，處理速度驚人，比起傳統計算機，量子計算機的計算處理能力可提升百億億倍。

知道了什么是量子計算機，那不妨來回顧下量子計算機短小精悍的成長史：

史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學的計算設備”。1980年代一系列的研究使得量子計算機的理論變得豐富起來。在1981年五月的MIT物理學和計算機技術的一次會議上，1918年出生的美國物理學家理查德·費曼，作了一個“Simulating Physics With Computers”的報告，揭開了研究發展量子計算機的新篇章。

大事記列表

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出“量子計算機”的概念。

1994年，貝爾實驗室的彼得·秀爾證明量子計算機能夠完成對數運算，且速度遠勝傳統計算機。

1997年，科學家首次用一對糾纏光子實現了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，基本符合了量子力學的全部本質特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

2007年，維也納大學的安東·齊林格和他的同事們用一對糾纏光子在加那利群島的兩個島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過了143千米。

2010年1月，美國哈佛大學和澳洲昆士蘭大學的科學家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國于利希研究中心發表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運算誤差的同時，保持量子比特的量子機械特性完整性。

沒有巨頭愿意輸在量子計算起跑線

近來全球許多國家和機構都在爭相研發量子計算機,除了美國的谷歌、IBM、耶魯大學等機構之外,日本、澳大利亞等國家也另辟蹊徑，潛心開展了量子計算芯片等的研制項目。

在國內通過不同方法開展量子芯片研究的有中國科技大學、南京大學和中科院物理所等單位,分別采用了半導體量子點芯片、超導量子芯片的方案；企業投入研發者較少。

IBM

2014年，IBM宣布耗資30億美元研發下一代芯片，主要是量子計算和神經計算。2016年的5月，IBM發布了5個量子比特的量子計算云服務。

現在IBM正在研發基于超導效應的量子邏輯門架構的通用量子計算機。其中，IBM還完成了兩個很重要的突破：

一是同時檢測兩種量子誤差（quantum errors）：1. bit-flip， 2. phase-flip。從而大大增強量了子計算機的穩定性。二是IBM提供了有史以來最好的可擴展性。當然落實在實際硬件開發應該還會有新的問題。IBM接下來的目標應該是把量子比特加到50至100。再往后就需要更多的研發資源了。

谷歌

2014年，谷歌宣布：來自加州大學圣巴拉拉分校的知名物理學家約翰·馬提尼斯研究組加入谷歌研發量子計算處理器， 隨后，美國宇航局NASA與谷歌合作開發出D-Wave量子模擬機，并宣布對某些問題的求解速度已超過傳統計算機1億倍。

但學術界還是有許多人認為這不是真正的通用量子計算機，而是量子退火機：量子退火算法則是量子力學的絕熱演化過程，模擬了量子力學里的量子隧穿效應。

谷歌在2016年9月提出“quantum supremacy”量子機研制計劃，并在其公布的量子計算機研究報告中稱，它們計劃明年增加至49量子比特！這是一個極為關鍵的門檻。有學者預計，在50量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權”。這對于計算機產業鏈的從業者們，簡直是比中500萬個大訂單更有誘惑力。

對于只能解決特定問題的量子計算機，谷歌為何如此熱衷呢？可能是因為量子退火機運行的算法和谷歌最關心的領域有關，比如用于搜索。另外，MIT研究員William Oliver也認為，這些特定算法可能非常有利于模式識別和機器學習。這些恰恰都是谷歌的主力業務。

英特爾

去年年末，英特爾宣布，不走谷歌的“超導材料”路線，而是要用硅材料來開發量子計算機。

英特爾在美國俄勒岡州波特蘭擁有一支量子硬件工程師團隊，他們正與荷蘭代爾夫特理工大學QuTech量子研究所的研究人員展開合作。2015年，雙方共同成立了規模5000萬美元的項目。

這種戰略讓英特爾在眾多研究量子位的工業和學術團體中表現突出。量子計算機的基本單元是量子位。其他公司利用超導電路去實現量子位，但英特爾認為，這樣的量子位數量有限，量子計算機需要數千或數百萬的量子位才能得以廣泛應用。因此，選擇硅量子位更容易完善和擴展硅量子位，從而讓其快速計算。

英特爾曾報告稱，他們現在可以在芯片工廠中，將量子計算機所需的超純硅層加到標準芯片上。

微軟

早在2005年，微軟就建立了“Q站”（StationQ），由數學家米切爾·弗里德曼（Michael Freedman）領導，從事量子計算基礎研究。目前已經基本完成了基本量子比特模塊的設計，正在進行樣機設計。

微軟認為，量子計算正處在理論研究轉向工程研發的轉折點?？紤]到一旦成功帶來的巨大收益，微軟不惜豪擲重金冒量子之險。

量子計算火候已到，微軟不想錯過這樣一個風口。最近，微軟宣布將著手量子計算工程樣機研發，把已經進行了十多年的量子計算機研究工作付諸于實踐，而且其宣稱這可能是一臺能擊敗谷歌和IBM的量子計算機樣機。

它選擇的獨特研發路徑。與谷歌和IBM使用超導導線環作為量子比特不同，微軟的思路是基于一種被稱為“任意子”（anyons）的粒子，這種粒子只能存在于二維空間。并選擇是拓撲量子比特技術。原理是電子通過半導體結構時會出現準粒子，它們的交叉路徑可以用來編寫量子信息。

與此同時，微軟還啟動了相應的量子計算軟件研發項目，目的在于開發能夠求解復雜問題的軟件。軟硬件之間的研發工作可以互相推動，共同促進。

上述幾家巨頭的背后，均有美國政府的影子。2016年，美國總統科學技術辦公室發布量子信息文件稱：“預計幾十個量子比特、可供早期量子計算機科學研究的系統可望在5年內實現。”

美國之所以進展迅速，就在于其在量子計算機硬件、軟件乃至應用方面都有明確的布局和集中攻堅的力量。

在談及量子技術時，國人常常會有莫名奇妙的優越感，甚至妄自尊稱“量子霸權”。誠然，量子通信近些年的技術和研發成果十分亮眼，但量子技術整體的水平，中國與美國仍有差距。英國政府《量子技術：時代機會》中，對全球各國的量子技術排名中也有所體現：

中國科學院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦先生對于這個問題，不無感慨地說：

我們跟美國相比確實差距太大，這個差距，第一個研究水平有差距，這個可以看得出來，第二個是研究隊伍和力量有差距。這些其實也有明顯的差距，這就是我們的現狀。

美國政企在量子計算機領域的完善布局已經上升到國家行為的層面，這或是中國應該借鑒的。

雖然如此，但好在國人一些產業和研究院校、機構有所覺醒，也在一直在量子領域奮勇直追，比如阿里已經和中科院共同成立了一個量子計算機研究室，其中中國科學院在量子信息技術方面處于國際先進水平。該實驗室計劃到2025年，量子模擬將達到當今世界最快的超級計算機的水平，2030年達到目前頂級超算的百億億倍。

另外，歐洲在量子技術領域也有重大布局。

在2016年歐洲量子會議上，歐盟發布《量子宣言》，宣布將支持一項十億歐元的量子技術旗艦計劃?！读孔有浴穼α孔佑嬎銠C的研制做出了詳細部署，他們計劃5年內發展處量子計算機新算法；5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子計算機解決化學和材料科學難題”，并使研制出的通用量子計算機“超過傳統計算機的計算能力”。

另外，2016年底，獨立后的英國政府也發布量子技術報告《量子技術：時代機會》，提出重視量子應用五大領域，促進量子領域競爭。未來會與國際接軌，建立創新中心，聯合學術界和工業界，讓量子技術商業化。

其他地區

澳大利亞近年來專注于硅基、磷摻雜的量子計算方案，并于今年年初成立了硅基半導體量子計算國家實驗室。這些努力為取道半導體方案研制量子計算機奠定了基礎。

俄羅斯也在加緊研究的步伐。俄國家研究型工藝技術大學與俄羅斯量子中心正在啟動大型量子技術中心。該中心將進行量子通信和量子電子學研究，還計劃為量子技術領域的青年人才制定并實施教學項目。

通用的量子計算機何時到來？

“量子計算機何時能夠被研發出來？”

郭光燦向國外同行拋出這個問題時，得到的答案是：“也許明天早上，也許要等上50年，也有可能我們這輩子永遠都看不到。”

迄今為止，物理學和計算機學界仍在爭議——能否制造出像支持者設想的那樣工作的量子計算機。

現在量子計算機所處的階段,也與當初傳統計算機剛出現時的情況有些類似。本年度2月《科學進展》期刊上,英國薩塞克斯大學、谷歌公司、日本理化學研究所、丹麥奧胡斯大學和德國錫根大學的科學家聯合發布了一項大型量子計算機藍圖。設計者表示,這樣的機器占地可能超過一個足球場,耗資至少1億英鎊(約合8.6億元人民幣)。

其實，這與世界上第一臺計算機誕生時,真空管占滿半間教室的情形何其相似~

【編者按：本文轉自物聯網智庫，由iot101君編輯整理】

最后，記得關注微信公眾號：鎂客網（im2maker），更多干貨在等你！