1900年，普朗克在論文里首次提出了能量的不連續(xù)性,，一腳踢開了量子力學(xué)的大門,。在量子世界里，所有物質(zhì)都可以被還原成61種基本粒子。其中最重的基本粒子，質(zhì)量也不超過3．1×10＾－25千克。

20世紀(jì)40年代,，圖靈精確定義了算法的含義，并描述了我們現(xiàn)在所稱的圖靈機（Turing machine）：可以執(zhí)行任何算法的單一通用可編程計算設(shè)備,。此后,，計算機逐漸發(fā)展成為了一個產(chǎn)業(yè)，并深刻改變了我們的生活,。

1981 年,，著名物理學(xué)家費曼觀察到基于圖靈模型的普通計算機在模擬量子力學(xué)系統(tǒng)時遇到的諸多困難，進而提出了經(jīng)典計算機模擬量子系統(tǒng)的設(shè)想,。當(dāng)量子物理與計算機器狹路相逢,，1985年，通用量子計算機概念終于誕生,。

自此,，量子力學(xué)進入了快速轉(zhuǎn)化為真正的社會技術(shù)的進程，人類在量子計算應(yīng)用發(fā)展的道路上行進的速度也越來越快,。如今,，量子計算離我們已不再遙遠。

從經(jīng)典計算到量子計算

通常來說,，量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式,，它與現(xiàn)有計算模式完全不同。在理解量子計算的概念時,，通常將它與經(jīng)典計算相比較,。

在經(jīng)典計算機中，信息的基本單位是位（Bit）,。所有這些計算機所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式,，以及 0s 和 1s 的簡單操作。

與傳統(tǒng)計算機由比特構(gòu)成的方式類似,，量子計算機由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構(gòu)成，一個量子比特對應(yīng)一個狀態(tài)（state）,。但是,，比特的狀態(tài)是一個數(shù)字（0 或 1）,，而量子比特的狀態(tài)是一個向量。更具體地說,，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量,。這個向量空間稱為狀態(tài)空間。

經(jīng)典計算使用二進制的數(shù)字電子方式進行運算,，而二進制總是處于0或1的確定狀態(tài),。于是，量子計算借助量子力學(xué)的疊加特性,，能夠?qū)崿F(xiàn)計算狀態(tài)的疊加,。即不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態(tài)（superposition）,。

普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進制數(shù)（00,、01、10,、11中的一個）,，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個時,，量子處理器對n個量子位執(zhí)行一個操作就相當(dāng)于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個操作,。

此外，加上量子糾纏的特性,，量子計算機相較于當(dāng)前使用最強算法的經(jīng)典計算機,，理論上將在一些具體問題上有更快的處理速度和更強的處理能力。

近年來,，量子計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢,，而有關(guān)量子計算技術(shù)的突破多與三個因素有關(guān)，即量子比特能夠維持量子態(tài)的時間長度,、量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量和對量子系統(tǒng)出錯的把握,。

量子比特能夠維持量子態(tài)的時間長度，被稱為量子比特相干時間,。其維持“疊加態(tài)”（量子比特同時代表1和0）時間越長,，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進行的計算就越復(fù)雜,。其中,，IBM率先將量子技術(shù)引入實用計算系統(tǒng)，將量子比特相干時間提高到了100微秒,。而當(dāng)量子比特相干時間達到毫秒級時,，將足以支持一臺能夠解決當(dāng)今“經(jīng)典”機器解決不了的問題的計算機。

從量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量突破來看,，2019年10月,，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54個量子位處理器Sycamore,，實現(xiàn)了量子優(yōu)越性。具體來說,，Sycamore能夠在200秒內(nèi)完成規(guī)定操作,，而相同的運算量在當(dāng)今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成。這項工作是人類歷史上首次在實驗環(huán)境中驗證了量子優(yōu)越性,，也被《Nature》認(rèn)為在量子計算的歷史上具有里程碑意義,。

除了解決量子比特的數(shù)量問題，由于當(dāng)量子比特失去相干性時,，信息就會丟失,，因此量子計算技術(shù)還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特,。然后在讀取和控制達到比較高的保真度之后,，去對量子系統(tǒng)做量子糾錯的操作。

基于此,，研究人員借鑒經(jīng)典計算機里面糾錯的概念,，來確保最后總的等效的量子操作，可以達到比較高的保真度,，開發(fā)了所謂的量子糾錯,。當(dāng)然，現(xiàn)階段的量子糾錯還需要突破規(guī)模的門檻,，但顯然不再是遙遙無期,。

量子計算有多少種可能？

量子力學(xué)是物理學(xué)中研究亞原子粒子行為的一個分支,，而運用神秘的量子力學(xué)的量子計算機,，超越了經(jīng)典牛頓物理學(xué)極限的特性，對于實現(xiàn)計算能力的指數(shù)級增長則成為科技界長期以來的夢想,。

量子計算為未來的科技發(fā)展提供了誘人的可能性,，嘗試?yán)眠@一新硬件的力量的研究人員，則主要從三個類型的問題入手,。

第一類型的問題涉及到分析自然世界：以今天的計算機無法比擬的精度,，用量子計算機模擬分子的行為。其中,，計算化學(xué)則是最大的一個應(yīng)用領(lǐng)域,。事實上，在過去兩年里,，量子計算機在用越來越多的經(jīng)驗證據(jù)取代猜測方面,，貢獻的價值已經(jīng)越來越大。

比如，模擬一種相對基礎(chǔ)的分子（如咖啡因）將需要一臺10的48次方比特的傳統(tǒng)計算機,，這相當(dāng)于地球上原子數(shù)量的10％,。而模擬青霉素則需要10的86次方比特——這個數(shù)字比可觀測宇宙中的原子數(shù)量總和都要大,。

傳統(tǒng)計算機永遠無法處理這種任務(wù),，但在量子領(lǐng)域，這樣的計算則成為可能,。理論上,，一臺有160量子比特的量子計算機可以就模擬咖啡因，而模擬青霉素需要286個量子比特,。這為設(shè)計新材料或者找到更好方法來處理現(xiàn)有工藝提供了更便捷的手段,。

就在8 月 27 日，Google 量子研究團隊宣布其在量子計算機上模擬了迄今最大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng),。相關(guān)成果登上了《科學(xué)》雜志的封面,，題為《超導(dǎo)量子比特量子計算機的Hartree－Fock 近似模擬》（Hartree－Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）。

為了完成這項最新成果,，研究人員使用 Sycamore 處理器,，模擬了一個由兩個氮原子和兩個氫原子組成的二氮烯分子的異構(gòu)化反應(yīng)。最終,，量子模擬與研究人員在經(jīng)典計算機上進行的模擬一致,，驗證了他們的工作。

值得一提的是,，這項新研究所用的 Sycamore正是被《Nature》認(rèn)為在量子計算的歷史上具有里程碑的54個量子位處理器,。盡管這種化學(xué)反應(yīng)可能相對簡單，也不是非量子計算機而不可為,，但這展示了利用量子模擬開發(fā)新的化學(xué)物質(zhì)的巨大潛力,。

此外，量子計算也有望為人工智能帶來更多好處,。目前,，針對人工智能產(chǎn)生的量子算法潛在應(yīng)用包括量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語言處理,、交通優(yōu)化和圖像處理等,。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為量子科學(xué),、信息科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)多個學(xué)科交叉形成的研究領(lǐng)域,，可以利用量子計算的強大算力，提升神經(jīng)計算的信息處理能力,。

在自然語言處理上,，2020年4月，劍橋量子計算公司宣布在量子計算機上執(zhí)行的自然語言處理測試獲得成功。這是全球范圍內(nèi)量子自然語言處理應(yīng)用獲得的首次成功驗證,。研究人員利用自然語言的“本征量子”結(jié)構(gòu)將帶有語法的語句轉(zhuǎn)譯為量子線路,，在量子計算機上實現(xiàn)程序處理的過程，并得到語句中問題的解答,。而利用量子計算,，將有望實現(xiàn)自然語言處理在“語義感知”方面的進一步突破。

最后,，則是量子計算對于復(fù)雜問題的優(yōu)化可能性,，而這些復(fù)雜問題往往對于今天的計算機來說變量太多。比如,，量子計算在復(fù)雜問題上的一個用途是建立更好的金融市場模型,。通過發(fā)明新數(shù)字來加強加密，并提高混亂和復(fù)雜領(lǐng)域的運營效率,，例如交易清算和對賬,。包括衍生品定價、投資組合優(yōu)化以及在高度復(fù)雜和不斷變化的情況下管理風(fēng)險,，則都是量子系統(tǒng)可以處理的事情,。

跳出局限的力量

當(dāng)前，在全球范圍內(nèi),，多國政府不斷出臺支持量子信息技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略,，下?lián)艽罅抠Y金用于以量子計算為主的量子信息技術(shù)研究。針對量子計算機技術(shù)實現(xiàn)的路徑呈現(xiàn)出多樣化,，包括光學(xué),、離子阱、中性原子,、核磁共振,、超導(dǎo)、固態(tài)量子點,、拓撲等,。

科技巨頭方面，美國Google,、IBM,、Intel、Microsoft,、Honeywell相繼在量子計算領(lǐng)域投入布局,，強化資金配置、工程實現(xiàn)和軟件控制等能力,，積極進行量子處理器原型產(chǎn)品及軟件算法的技術(shù)研發(fā),。

在量子處理器物理實現(xiàn)方案方面,，Google和IBM均基于超導(dǎo)路線，Intel同時布局硅量子點和超導(dǎo)兩種路線,，Microsoft則看好全新的拓撲路線,，Honeywell側(cè)重離子阱路線。

我國科技公司阿里巴巴,、騰訊,、百度、華為相比于美國巨頭進入量子計算領(lǐng)域的時間相對較晚,，但近年來也已通過與科研院所合作或聘請知名科學(xué)家等方式成立相關(guān)實驗室,，在量子計算云平臺,、算法,、軟件和應(yīng)用等方面研究布局。

盡管對于當(dāng)前來說,，量子計算并不像傳統(tǒng)計算那樣具有通用性,，但其作為通往一個陌生新世界的門戶來到我們面前，是一個讓我們能夠以修正的定義來看待我們當(dāng)前世界的入口,。

從長遠來看,，在世界范圍內(nèi)的布局和發(fā)展下，量子計算將極有可能徹底消除時間障礙,，成本障礙也將隨之降低,。未來或?qū)⒊霈F(xiàn)全新類型的機器學(xué)習(xí)范式，但在真正像傳統(tǒng)計算機那樣具有通用功能的通用量子計算機成型之前,，量子計算也依然需要一段漫長的探索過程,。