一文讀懂量子計算機的前世今生，它的未來人類連想都不敢想

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作者：錢綱

本文摘編自《矽谷簡史：通往人工智慧之路》，如需轉載請聯絡我們

01 量子計算機的前世今生

20世紀初，相對論和量子力學引發了一場翻天覆地的物理學革命，這是人類史上最偉大的知識綜合。但是，相對論和量子力學之間存在著矛盾。相對論的創始人愛因斯坦和量子論創始人尼爾斯·玻爾（Neils Bohr）為此爭論了一生。玻爾去世的前一天，還在黑板上塗抹著愛因斯坦反對量子論的哥本哈根解釋的理想實驗示意圖。

量子論的哥本哈根解釋雖然在實驗中得到了驗證，但是哥本哈根解釋很讓人費解，因為它放棄了物理事件的定域性和實在性，這與人們的常識相悖。愛因斯坦和玻爾一直到死也沒有說服對方。

20世紀60年代，英國物理學家約翰·貝爾（John Bell）在數學家馮·諾依曼的《量子力學數學基礎》一書中發現了一個簡單的錯誤，併在此基礎上推匯出一組著名的不等式——貝爾不等式（Bell’s inequality），這是物理學史上的最著名的一組不等式，因為它可以被用來驗證我們的宇宙是定域實在的還是依賴於人們的觀察的。也就是說，它可以用實驗來解決愛因斯坦和玻爾之爭。

▲玻爾（左一）和愛因斯坦（右二）

貝爾不等式提出後，就有人對其進行了實驗驗證，因技術限制，結果不令人信服。

1982年夏，隨著鐳射技術的進步，精確驗證成為可能。法國奧賽光學研究所的物理學家阿萊恩·阿斯派克特（Alain Aspect）主持了第一次精確意義上的貝爾不等式驗證。

他們把鈣原子激發到高量子態，再讓它落回到基態，釋放出一對對光子，讓兩個光子飛出相隔約12米後，測量其相關性。要是世界符合愛因斯坦理論，兩個光子的相關性就應符合貝爾不等式。反之，兩個光子就是糾纏著的，世界就不是定域實在的。

3小時後，實驗結果出來了，符合量子論，愛因斯坦的預測偏離了5個標準差。阿斯派克特小組的報告於當年12月發表在《物理評論快報》（Physics Review Letters）上。

直到今天，全世界的物理學家還在重覆著阿斯派克特的實驗，新手段不斷被引入。馬裡蘭和羅切斯特的研究小組用紫外光觀測到了連續的輸出相關性；在英國，有人用光纖將兩個糾纏的光子分離4公里以上；在日內瓦，這一距離達到了數十公里。在這樣的距離上，貝爾不等式仍然不成立。

1990年，格林伯格（Greenberger）、霍恩（Horne）和蔡林格（Zeilinger）等人用三個光子的糾纏避開了貝爾不等式，證實了量子論的預言。2000年，潘建偉小組在《自然》雜誌上報告，他們的實驗證實了GHZ定理，再次否決了定域實在。該現象變得如此不容置疑，以至於在量子資訊領域裡，這已是檢驗兩個量子位元是否糾纏的常規測量方法了。

阿斯派克特實驗是物理史上影響最深遠的實驗，它可以和1886年的邁克爾遜——莫雷實驗（Michelson-Morley Experiment）相提並論。大多數人早就預料到了量子論的勝利。因為量子論自創立以來，在它的每一個應用領域裡都取得了成功。

阿斯派克特實驗之後，人們開始相信宇宙是非定域的。也就是說，處在糾纏態的兩個粒子之間有著某種實時的相互影響。因為它不能用來實際傳送資訊，與相對論並不矛盾。量子糾纏為我們提供了一種完全無法破譯的通訊手段，這是一種高速、安全的通訊技術，我國的潘建偉教授在該領域多有建樹。

基於量子糾纏現象，有人提出了量子計算機的概念。早在1957年，曾在玻爾研究所工作過的普林斯頓大學物理系教授約翰A.惠勒（John A. Wheeler）的學生休·埃弗萊特（Hugh Everett），就在他的博士論文中提出了量子論的多宇宙解釋（multiverse），為量子計算機奠定了理論基礎。

來自以色列的牛津大學猶太裔物理學家大衛·多伊奇（David Deutsch）曾向埃弗萊特請教希爾伯特空間的問題。多伊奇後來對量子計算機做出了重大貢獻。

▲量子糾纏

今天的計算機，本質上都是圖靈機。它讀入資料，按演演算法處理資料，輸出結果。計算機用二進位制處理資訊。1個二進位制數是1個位元（bit）。傳統計算機中1個位元取值只能是0和1，即開關電路的開或關。10個位元能記錄1個10位的二進位制數。

在量子計算機裡，1個位元同時記錄0和1，即所謂的量子位元（qbit）。10個量子位元記錄的不再是1個10位二進位制數了，因為每個位元都處在0和1的疊加態，10個量子位元記錄的是2的10次方的二進位制數的疊加。傳統的10個位元只能處理1個10位的二進位制數，10個量子位元能同時處理2的10次方個二進位制數。

利用量子位元進行圖靈機式的計算在20世紀70年代和80年代初便由貝內特，貝尼奧夫等人提出來了。

1982年，美國物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）發現，用計算機來模擬量子疊加時，計算量隨模擬物件的增加指數式增長，傳統計算機很快就無法模擬了。費曼指出，也許人們能反過來用量子過程來模擬計算過程。

1985年，多伊奇仿照圖靈的做法，證明瞭普適量子計算機的可能性。即在理論上，能製造一臺機器，模擬任何量子計算機的過程，使得一切形式的量子計算成為可能。傳統計算機中的邏輯閘，在量子計算機中只需把它們換成量子邏輯閘即可。

多伊奇還證明瞭量子計算機無法超越演演算法，即它只是一臺圖靈機。和傳統圖靈機不同，其內部狀態不定，它能同時進行多個指向下一步的操作。傳統計算機屬於決定性圖靈機（Deterministic Turing Machine，DTM），量子計算機是非決定性圖靈機（Non-Deterministic Turing Machine，NDTM）。

多伊奇還證明瞭量子計算機非常高效，它在執行同一運算時的複雜性比傳統計算機低得多。因為量子糾纏是天然的平行計算，傳統計算機處理10位元的資訊時，量子計算機處理了2的10次方個經典位元。

▲大衛·多伊奇

02 量子計算機的應用和未來

量子計算機使計算不再是問題。它最可能的應用場景是電子加密術。如今的加密技術依賴於大數的不可分解性。即把一個很大很大的數做質數分解的困難幾乎是不可剋服的。

隨著數字的增大，一般的質數分解方法所需的時間按指數增長。目前最好的演演算法也只比指數性增長稍好。如果用一個大數來加密，那麼只有當這個數分解時才會洩密，因此很安全。目前最流行的加密方法，都是以此為基礎的。

量子計算機的並行機制讓它能同時處理多個計算，使大數從此不再難解。1994年，貝爾實驗室的彼得·肖爾（Peter Shor）提出了一種量子演演算法，能有效地分解大數，把分解的難度從指數級降到了多項式。

分解一個250位的大數，傳統計算機用今天最有效的演演算法，再讓全球所有計算機聯合工作，也需要幾百萬年。量子計算機只需幾分鐘。量子計算機分解250位數時，進行的是10的500次方的平行計算。

1996年，貝爾實驗室的洛弗·格羅弗（Lov Grover）發現了一種可以有效搜尋排序的資料庫的演演算法。該演演算法把傳統計算機演演算法的複雜性降低了根號n次。

目前幾乎所有國家都在關註量子計算，更多的量子演演算法肯定會被創造出來，如果有一天量子計算機能夠實現的話，那麼目前的所有加密演演算法都將不再有效。

就演演算法而言，量子計算機有兩大優點：一是對於任意一個傳統計算機的演演算法，均有其相應的量子演演算法；二是存在著傳統計算機演演算法無法模擬的量子演演算法。人們只要造出位數和傳統計算機相近的量子計算機，傳統計算機演演算法就必然會被取代。

量子計算機現在只是剛起步，目前的硬體水平還不能製造出能實際應用的量子計算機，量子態的糾纏很容易退相干，這是目前面臨的嚴重技術困難。但人們的探索從未因此停止。

2013年6月，中國科學技術大學潘建偉院士的量子光學和量子資訊團隊首次成功實現了用量子計算機求解線性方程組的實驗，還發現了世界上穩定度最高的量子儲存器，為實現實用量子計算機做出了重大貢獻。

2015年5月，IBM開發出4個量子位元的原型電路，是未來量子計算機的基礎；IBM還發現了位元翻轉（Bit-Flip）與相位翻轉（Phase-Flip），使量子計算機工作更穩定。

2016年8月，美國馬裡蘭大學發明瞭世界上第一臺5個量子位元的可程式設計量子計算機。

量子計算除了其並行的內稟性，其計算還是可逆的，也就是說其計算是零能耗的，或者說是絕熱的。

在量子計算機商業化中，位於加拿大的D-Wave公司（D-Wave Systems，Inc）走在最前列。2011年5月11日，D-Wave公佈了D-Wave One，成為世界上第一臺商用量子計算機。這是一臺由絕熱理論的量子退火技術為基礎製造的128個量子位元的量子計算機。它被用於解決最最佳化問題。

2013年5月，D-Wave稱NASA和Google訂購了一臺512量子位的D-Wave Two量子計算機。其量子計算晶片由加州NASA噴氣推進實驗室的微型裝置實驗室製造。

▲D-Wave晶片

隨著人類使用的資料量越來越大，各種型別的量子計算機一定會走進我們的日常生活。不過，目前來看一臺簡單的傳統通用計算機就足夠了。量子計算機儘管在短期內不可能取代傳統計算機，但它仍是人類科技文明的一個裡程碑，是未來科技的引擎。

03 量子通訊

糾纏的量子除了為量子計算奠定了基礎，也是量子通訊的基礎。當兩個糾纏粒子中的一個量子態發生變化時，另一個會實時發生相應變化。

也就是說，其狀態變化是真正實時的。兩個糾纏的粒子一旦其中一個的狀態被測量了，另一個粒子的狀態也會改變，這一特性使量子通訊的安全性得到了保障。

目前，量子通訊網已經建成，儘管量子通訊仍在研發階段，但其規模已經很可觀了。2005年，美國建成了DARPA量子網，有3個節點，它們是BBN公司、哈佛大學和波士頓大學，延伸長度為10公里。

2008年10月，歐盟在維也納演示了一個基於商業網路包含6個節點的安全量子通訊系統。

中科大的潘建偉教授科研團隊在量子通訊領域裡，一直處於世界領先地位。他們於2004年實現了五光子糾纏和終端開放的量子態隱形通訊。2009年，該團隊在合肥演示了一個4節點的全通型量子通訊網，其最近的兩個節點超過16公里。

2014年11月15日，潘建偉團隊把該系統的安全距離擴充套件至200公里，掃清了世界紀錄。2016年8月16日，該團隊發射了首顆量子科學實驗衛星。

今天，科學發展的趨勢有兩個：一是發現現有物質在原子層面和分子層面的組合方式，這包括生命科學、高階材料等學科；二是探索世界存在的本質，量子論和相對論是這一領域裡的兩大利器。

截至今天，如果想在這些領域內有突破性的進展，就必須要突破計算量太大的難關。就像在生命科學中，只有搞清楚有機物分子的排列，才有可能去模擬生命的各種可能性。

量子計算對這些領域的發展意義極大，計算能力的飛躍必然導致這些領域的大發展，屆時生命、物質、能量、空間、時間的本質就會展現在人類的面前，今天的人類連想都不敢想的應用會隨之出現。

量子計算一定會給這個世界帶來一次全新的技術革命，今天的我們甚至無法想象這樣的技術革命會給社會帶來怎樣的變化。