大家好，我是薛鵬，來自北京計算科學研究中心，從事量子信息方面的研究工作。今天我想向大家介紹一下神奇的量子計算機。

為什么我們需要量子計算機？

可能有人會好奇，為什么要研究量子計算機？難道是現在所使用的經典計算機不夠好嗎？

在回答這個問題之前，我先講一下經典計算機。經典計算機可以說是人類歷史上的最偉大的發明之一，給我們的生產生活帶來了無窮的便利。現在已經很難想象沒有計算機的生活會是什么樣子。

但是人類的欲望是永無止境的，我們永遠都在追求更高、更快、更強，我們對于計算機處理信息速度的追求也是永無止境的。

而經典計算機處理信息的速度，依賴于微處理器芯片集成度的提高。那么，經典計算機處理信息的速度會像所希望的那樣持續不斷地提高嗎？

我們先來看一個經驗公式，這是英特爾公司創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的著名的摩爾定律，它指出微處理器芯片的集成度隨著時間是呈指數增長的。

從上圖中可以看出，從1900年到2020年這120年間，微處理器芯片集成度的發展基本上都符合摩爾定律。

那么，這個趨勢會持續不斷地增長下去嗎？答案當然是否定的。因為它最終會達到它的物理極限。因此可以說，經典計算機的運算速度，或者說處理信息的速度是有上限的，它會受到以下兩個問題的限制。

第一個就是熱耗散效應。

經典計算機處理信息的過程是不可逆的。比如在使用手機或者電腦一段時間后，它會發熱，因為信息處理的過程當中電能會轉換成熱能，然后向大氣中耗散。這個過程是不可逆的，我們不能把空間當中的熱能再重新收集起來轉換成電能，就導致了熱耗散效應。

而材料的散熱速度是有上限的，所以也就限制了元件的集成度，從而限制了經典計算機處理信息的速度。

要想解決這個問題，有兩種方法。一種是從材料入手：去尋找新的散熱速度更好的材料，但這是一種治標不治本的方法。 

那么有沒有治本的方法？其實也是有的。我們可以去尋找一種新的信息處理的方式：這種信息處理的方式如果是可逆的，就可以從發熱的根源上解決這一問題了。

非常幸運的是，量子計算機處理信息的方式就是可逆的，所以就可以很完美地解決熱耗散效應的問題。但一個問題解決了，另外一個問題又來了，那就是尺寸效應。

現在微處理器芯片的尺寸已經可以達到納米量級，即10^-9米。這是一個非常小的尺寸了，如果想要把元件的集成度進一步提高，那就勢必要把元件的尺寸做得更小。但無論多小，它最終一定會達到原子的尺度，就不能再分了。而原子的尺度就是埃（?）的量級，即10^-10 米。

但當元件達到原子尺度時，它的運動規律就不能夠再用所熟悉的牛頓力學解釋，這時就需要祭出量子力學這一法寶了。基于量子力學，且以量子力學為運動規律的量子計算機就應運而生了。

所以，如果用量子計算機取代經典計算機，就可以完美解決剛才所說的熱耗散效應和尺寸效應這兩個限制經典計算機運算速度的問題了，這就是量子計算機誕生的故事。

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什么是量子力學？可能一說起量子力學，大家首先想到的不是普朗克、不是薛定諤、不是愛因斯坦，而是一句話“遇事不決，量子力學”。

這句話是指在某些科幻作品當中一旦出現一些無法填補的天坑和巨大的腦洞的時候，作者就會把量子力學這一法寶祭出，希望利用量子力學去解釋一切不合理、不合邏輯的現象。這也從一個側面反映出了量子力學的神奇之處，或者說它的用處之大。

事實上，量子力學確實是一門非常非常有用的科學。比如想要研究一個微觀粒子的運動規律，好比“電子是如何繞著原子核運動”時，是完全沒有辦法用日常生活當中所積累的經驗給出答案的。因為在解釋微觀粒子運動規律的時候，我們所熟悉的牛頓力學和麥克斯韋方程就都不起作用，這時就要祭出量子力學了。量子力學就是一門專門用于解釋微觀粒子運動規律的科學，也是非常重要的物理學分支。 

剛才我們也說到了，微觀粒子的運動規律和我們熟悉的經典世界的宏觀物體是完全不同的。在經典世界當中，宏觀物體的運動就像從上圖左側滑竿上滑下來的人一樣，它的狀態是連續變化的，但是微觀粒子則截然不同。

比如電子只能在一些離散的軌道上運行或者運動，它只能從一個軌道躍遷到另外一個軌道，就像上圖右側在爬梯子的小孩一樣，必須是一格一格地、一份一份地，不能連續地變換，這就是所謂的微觀粒子的量子化。

而其與宏觀物體的運動規律會截然不同的根本原因就在于它們擁有一些量子特性，其中最重要的一個就是量子疊加性。

形象地看，微觀粒子就像圖中正在玩滑板的小孩一樣，可以出現在0這一端，也可以同時出現在1這端。也就是說，它可以以一定的幾率出現在0，也可以以一定的幾率出現在1。總的來說，就是它處在0和1的疊加狀態之上。

但一旦我們要去測量它了，就是上圖中眼睛出現，要觀測它的時候，它就會確定性地塌縮到0，或者確定性地塌縮到1。這就是所謂的量子疊加特性。 

而在沒有去測量它之前，它都是處在0和1的任意疊加狀態之上的。正是因為有了量子疊加特性，所以量子計算機擁有非常強大的并行運算的能力。

什么是量子并行運算呢？首先來看一下特別熟悉的經典計算機，它們的芯片最底層都是由半導體的晶體管形成的01電路，0代表高電平，1代表低電平。 

經典信息的最小存儲單元是什么？就是一個經典的比特。它是由二進制的字符串起來組成的，就像一個開關，要么是0，要么是1。

一個經典的存儲器只可以存儲一個經典的比特，也就是說它只能存儲0和1這兩個數當中的一個。而反觀一個量子存儲器，它可以存儲一個量子比特。但是由于量子比特擁有量子特性，它可以同時處在0和1的任意疊加態之上，所以一個量子存儲器可以同時存儲0和1兩個數。

那么兩個經典的存儲器可以存儲多少個數？它可以存儲二進制數當中的00、01、10、11這四個數當中的一個，但是兩個量子存儲器就可以同時存儲這四個數。

以此類推，如果有更多的，比如有N個經典存儲器，它也只可能存儲2^N個數當中的一個，而且一次運算它也只能變換這一個數。而N個量子存儲器可以同時存儲2^N個數，是非?？捎^的一個數量。而且一次運算它可以同時變換2^N個數，這就相當于2^N個經典存儲器在同時運行，這就是所謂的量子并行運算。

而量子比特其實就是量子信息的一個最小單元，并且它是可以處在疊加態之上的，即0和1的疊加態。在物理當中，任意一個二能級的微觀粒子系統都是可以用于制備量子比特的。

量子計算機是如何工作的？

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剛才講了量子比特和量子并行運算，下面就具體地來看一下量子計算機究竟是如何工作的。

以搜尋算法為例，首先想象一個場景，比如我有一個工廠雇傭了100個員工，突然有一天，這個工廠的廠長被告知，這100個員工當中有一個是在逃的罪犯，他需要協助公安機關把這個罪犯給找出來。

經典的計算機是如何處理這一類搜尋算法的問題呢？很簡單，通常情況下需要把這100個員工的照片和信息一一和犯罪分子的信息進行對比，運氣不好的時候可能需要對比100次才能找到罪犯，在平均情況下也需要進行50次的對比。這就是經典計算機處理搜尋問題的方法。 

那么量子計算機又是如何做的呢？非常幸運的是它擁有量子特性，所以我們就擁有一臺非常神奇的機器，叫做量子幸運大轉盤。 

最初始的時候，這個量子幸運大轉盤上有100個格子，大小一致，用于放置這100個員工的照片。我們完全不知道罪犯的照片在哪兒，我們需要把他找出來。 

神奇的就是，當每次轉動這個量子幸運大轉盤的時候，犯罪分子的照片的格子就會自動地變大，而其他的格子就會相應地縮小，這就是量子計算機的神奇之處。

所以將量子幸運大轉盤轉動10次左右后，放置犯罪分子的格子就會變大到可以覆蓋整個轉盤的面積，這樣我們就可以快速地找到這個犯罪分子。這就是量子計算機處理此類的搜尋問題的辦法。

跟經典計算機所需的50次相比，我們僅需要轉動10次量子幸運大轉盤就可以了。而且最重要的是，員工數量越多，量子計算機的優勢就越明顯。

從這個例子可以看到，實現量子計算機的計算，最核心的是如何制備量子幸運大轉盤。 

以剛才提到的搜尋算法為例，現實生活當中，我們可以利用量子行走來實現搜尋算法當中的量子幸運大轉盤。什么是量子行走？它是經典隨機行走在量子世界當中的一個對應。 

那什么是經典隨機行走？舉個例子，首先想象有一個人手里面拿著一個硬幣，每次拋硬幣的時候都有50%的幾率是字向上，50%的幾率是花向上。如果是字向上的話，他就會向左走一步；如果是花向上，就向右走一步。而每次到了新的位置上他都會重新拋擲硬幣，決定向左或向右行走，這就是所謂的經典隨機行走當中一個非常簡單的例子。

而在量子行走當中，行走的人和硬幣都要做量子化的處理，他們就擁有了量子特性，比如量子干涉、量子糾纏、量子疊加等等。 

這時量子的硬幣就不光只是字向上，或者是花向上了，它可以處在字和花的任意的疊加狀態之上。而這個量子化的人也可以同時從很多個位置以不同的路徑去行走，所以跟經典的隨機行走相比較，量子行走的速度更快。 

而且最重要的是，它能夠在更短的時間之內占據更大的空間。那么，我們就可以利用量子行走去實現量子搜尋算法當中的幸運大轉盤。

所以在當今這樣一個信息大爆炸和大數據的時代，量子行走的應用前景是非常巨大的。而我所在的團隊就是利用光子的不同自由度，比如偏振、路徑、時間、軌道角動量等等，在實驗室中實現光量子隨機行走。

圖中就是量子行走的光路圖，看上去挺抽象的。 

上圖是在實驗室中它們真實的樣子。因為做精密光學實驗要防止各種各樣的振動，所以我們的實驗室通常都在地下室，而且是一個萬級的超凈室，要保持恒溫恒濕的環境，以確保激光器、探測儀這些精密的儀器能夠正常運行。

我們還需要24小時不間斷地除濕，保證空氣足夠干燥，預防晶體的潮解。此外，由于實驗室中使用的光源是波長在780-810納米之間的近紅外光，且是單光子水平，肉眼很難觀測到，所以還需要保持全暗室的環境。

在實驗室中，我們每天都要在這樣的環境當中站立7-8個小時，不間斷地調試光路、采集數據、做實驗等等。遇到了緊急實驗的時候，加班加點、熬夜都是家常便飯。

所以總的來說，做科研還是挺辛苦的，但是所有的辛苦付出也都是值得的。因為首先這是興趣所在，其次最重要的是，我們在這個過程當中也取得了一定的成績。

▲量子行走的進展 

我們團隊是從2013年開始從事量子行走實驗研究的，到了2015年的時候，我們已經打破了當時由澳大利亞團隊所創造的單光子空間域的量子行走最長演化時長的記錄。隨后我們不斷地提高技術，一再地刷新這一紀錄，直到目前為止我們都是這一紀錄的保持者。 

到了2021年，我們已經實現空間域的量子行走50步的演化紀錄。如果到了光纖當中，甚至可以突破200步的演化時長，所以我們也非常希望能夠利用在光量子行走方面所積累的技術和經驗，為我國成功研制量子計算機，并為未來的產業化貢獻出自己的力量。

量子計算機已經能做什么了？

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那么，目前全世界各國的量子計算機到底發展到了怎樣的水平？

在2012年的時候，美國加州理工學院的物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）就提出了一個名詞：quantum supremacy，有人把它翻譯成量子霸權，也有人翻譯成量子優勢。它其實就證明了量子計算機是可以全面碾壓經典計算機，實現一些經典計算機所完全無法實現的復雜計算任務的概念。

隨著這一概念提出，后續就有包括D-wave、IBM、Google、Honeywell、Intel、Microsoft、Amazon等國際知名大公司，以及很多初創公司紛紛加入了量子計算機的研制隊伍當中，現在競爭也是愈演愈烈。

下面就通過幾個例子展示量子計算機研制的經歷和進程：

2016年，IBM公司率先推出了全世界第一臺基于5個超導量子比特的可編程的量子計算機的原理模型，并且將之應用于云平臺。到2017年，他們又成功研制出了一款基于50個超導量子比特的量子計算機的原理模型，而且宣稱將在2023年成功制備超過1000個比特的真正的量子計算機。 

而谷歌也不遑多讓，于2019年宣布成功研制了超過53個超導量子比特的量子計算芯片，并取名為Sycamore，中文翻譯為懸鈴木。它們利用這個量子計算芯片首次實現了量子隨機采樣的算法，并宣稱這是世界上第一次成功實現quantum supremacy，下圖就是它們的超導電路，這個電路需要放在稀釋制冷機中工作。

與IBM和Google追求開發超導量子計算機不同，我們所熟悉的制造口罩的生產商Honeywell公司追求的是以“離子阱”為硬件來研制量子計算機，并于2020年宣稱已經建造了目前世界上性能最好、也就是量子計算體積最大的量子計算機的原理模型——10個全糾纏的離子阱量子比特。由此可見，量子計算機對于資本市場的吸引力之大。

▲ 霍尼韋爾：10個全糾纏的離子阱量子比特的原理樣機 

除了超導計算機和離子阱計算機，光量子計算機也是方興未艾。去年我國的潘建偉院士團隊就研制成功了一臺76個光量子計算機的原理模型，把它命名為九章，一個非常有紀念意義的名字。這也是光量子計算機當中非常優秀的代表之一。

▲ 九章：76個光量子原理樣機 

與超導比特相比，光子也有它的優勢，那就是對于環境的適應性。超導量子比特需要全程在零下273攝氏度的超低溫的環境之下才能正常運行，但是光子不需要，處在室溫就可以了。所以說，各個物理體系都有各自的優勢以及短板。

量子計算機終將改變世界

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那我們距離真正的通用的量子計算機還有多遠？我們什么時候才能夠用上量子計算機？

▲ 量子計算機比特數的發展（其中Quantum annealer為量子退火機）

理論上，距離實現通用的量子計算機已經不存在不可逾越的障礙了，但是技術上還是有著重重困難。

由2016年的5個超導量子比特，到2017年的53個超導量子比特，再到了2020年的76個光量子比特。每一個進步看起來都是一小步，卻都凝結著很多科研工作者的艱辛付出。

而要真正實現能夠全面取代經典計算機的可編程、可糾錯的通用量子計算機，至少要掌握制備和操控10萬到100萬個量級的量子比特的有效方法。所以可以說，量子計算機前進一小步，需要人類跨越技術上的一大步。

正是因為量子計算機的研制目前依然極具挑戰性，所以它才能吸引到全世界各國的科學家以及產業界的熱情和投入。一旦基礎科研得到了巨大的突破，量子計算機就會快速進入到產業化的進程當中，也勢必會給我們的生產生活帶來巨大的便利。

那個時候，我們將會擁有更安全的通訊方式、更快速的計算方式，以及更高精度的測量方式，這都將拜量子計算機所賜。

有的人可能會焦慮，是不是現在就需要掌握量子計算機的知識？不然未來量子計算機取代了經典計算機，我會不會因為連手機、電腦之類的工具都無法使用，被這個社會所淘汰？

當然，學習是一輩子的事情，我們非常希望莘莘學子能夠加入我們的研究團隊當中，也非常希望普羅大眾能夠多去了解量子信息的知識，但是我們不販賣焦慮。以上的擔心都大可不必，因為量子計算機最終的形式大概率是出現在云端的，終端用戶面對的界面一定會是更加適合終端用戶的簡單模式，就跟現在一樣。

如果需要搜索一個信息，只需要寫下一個指令，就會傳送到遠程的量子服務器上，然后由像我這樣的工作人員、實驗人員在云端為你完成編譯、運行、維護等工作，再把最終的結果傳遞到終端，也就是你的手機或者電腦之上。

所以，以上的擔心都大可不必，就請大家等著享受量子計算機在未來帶來的重大便利就好。

正是因為量子計算機有著強大的性能，以及經典計算機無可比擬的優勢，所以假以時日，它必然會改變世界。但是在這個過程當中，還是需要基礎科學的巨大突破，以及資本的大量注入。

不管你是希望加入到量子計算機的研制以及產業化的有志青年，還是樂觀其成的一般民眾，相信未來都會享受到量子計算機給生產生活帶來的巨大便利，就讓我們一起來期待吧。

謝謝大家！

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