Q1「遇事不決量子力學(xué)」&「不自量力」？

關(guān)于量子力學(xué)有兩句話(huà)，第一句話(huà)是「遇事不決量子力學(xué)」，很多好萊塢電影和一些賣(mài)概念的商品會(huì)把量子吹得神乎其技，所以老百姓容易把量子玄學(xué)化，但量子力學(xué)本身是一門(mén)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，研究微觀體系下物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不像宏觀世界，可以看見(jiàn)蘋(píng)果從樹(shù)上掉下來(lái)、車(chē)在路上行駛等遵循牛頓宏觀力學(xué)原理的現(xiàn)象，微觀體系下的電子和光子存在很大的不確定性，還可能有疊加狀態(tài)和著名的量子糾纏現(xiàn)象，所以只靠想象很難理解量子本身。第二句話(huà)是「不自量力」，意思是不要自己去學(xué)量子力學(xué)，容易越學(xué)越懵，很多人覺(jué)得自己學(xué)得明白，但可能完全是不正確的理解。

Q2量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算有什么本質(zhì)區(qū)別？

就經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言，無(wú)論是手機(jī)、電腦、筆記本還是非常厲害的超算，它們最基礎(chǔ)的運(yùn)算單元都是晶體管，打個(gè)比方，晶體管的運(yùn)行原理類(lèi)似三峽大壩，有開(kāi)關(guān)可以控制電流，因?yàn)橛?jì)算機(jī)不像大腦以十進(jìn)制接收信息，它是二進(jìn)制，只包括通和不通兩個(gè)狀態(tài)，這也是 0 和 1 說(shuō)法的來(lái)源。但現(xiàn)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)面臨著巨大挑戰(zhàn)，如今的工藝技術(shù)可以把晶體管做到只有幾個(gè)納米小，一個(gè)納米大約是十個(gè)原子的厚度，可以說(shuō)是進(jìn)入了微觀世界，在微觀體系下，電子有量子隧穿效應(yīng)，可以直接穿過(guò)開(kāi)關(guān)，這就導(dǎo)致了經(jīng)典計(jì)算機(jī)晶體管無(wú)法再縮小。

上世紀(jì)80年代，費(fèi)曼第一次提出量子計(jì)算的概念，把量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家和工程師們?yōu)榱俗非蟾叩乃懔Γ煌５乜s小經(jīng)典計(jì)算機(jī)晶體管，不斷提高集成度以換取更高的算力。經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾十年來(lái)一直遵循摩爾定律，每18個(gè)月晶體管集成度提升一倍，算力也提升一倍，但現(xiàn)在無(wú)法繼續(xù)了。因此他提出，為什么要長(zhǎng)期遏制量子效應(yīng)的發(fā)生，而不是直接用量子力學(xué)原理改善下一代計(jì)算機(jī)體系？

圖片來(lái)源：JARA在半導(dǎo)體上做量子計(jì)算，類(lèi)似于放棄三峽大壩的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，不再建一個(gè)個(gè)水壩，而是建一個(gè)個(gè)水庫(kù)，用量子點(diǎn)建一個(gè)個(gè)很小的區(qū)域在里面，并且把所有電子都排空，然后可控的往里面扔一個(gè)電子。原來(lái)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)是電流通和不通的狀態(tài)，現(xiàn)在則是從電流里抓取一個(gè)電子放到量子點(diǎn)上，然后把0和1編譯在電子的自旋上面，可以簡(jiǎn)單理解成地球儀自轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)分別表示0和1，是兩種狀態(tài)，但是如果把地球儀的兩個(gè)卡點(diǎn)去掉，它還可以上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)或斜著轉(zhuǎn)，這就是量子的疊加狀態(tài)，可以位于0到1之間的狀態(tài)，不像經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能位于0或1，量子計(jì)算機(jī)每一個(gè)比特的狀態(tài)都可以位于0和1之間。量子計(jì)算有天然的并行運(yùn)算能力，從編碼上實(shí)現(xiàn)天然的并行運(yùn)算可以指數(shù)級(jí)提升算力。Q3量子計(jì)算的顛覆性究竟體現(xiàn)在哪里？量子計(jì)算機(jī)有兩個(gè)著名的算法，其中一個(gè)是量子計(jì)算的shor算法，也叫大數(shù)分解，對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，713是哪兩個(gè)質(zhì)數(shù)相乘得到的，這個(gè)計(jì)算還不是很難，但如果是291311，就很困難了，不過(guò)對(duì)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)這很容易。現(xiàn)在很多加密都基于大數(shù)分解，編譯密碼的人很清楚是哪兩個(gè)質(zhì)數(shù)相乘得到的這個(gè)數(shù)，但反過(guò)來(lái)，把大數(shù)分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)就很困難，這就是大部分密碼所使用的RSA體系。目前最長(zhǎng)的密碼使用二進(jìn)制可以加到1000多位、2000多位，如果讓經(jīng)典計(jì)算機(jī)去破解這樣的密碼可能需要幾百年，甚至幾千年，還是全球計(jì)算機(jī)加起來(lái)的基礎(chǔ)上。但如果有一臺(tái)成熟的量子計(jì)算機(jī)，那么可能幾分鐘就解決問(wèn)題，因?yàn)樗?shor 算法決定了能很快地解決這一類(lèi)數(shù)學(xué)問(wèn)題。

人類(lèi)目前還面臨很多需要更強(qiáng)算力解決的問(wèn)題，比如金融行業(yè)優(yōu)化組合高頻交易問(wèn)題，生物醫(yī)藥方面新藥研制問(wèn)題，目前研究一款新藥要幾十年，成本非常高。新冠疫情下，我們接種的疫苗也未必是最優(yōu)解，但是未來(lái)使用量子計(jì)算機(jī)，可能幾周或者一兩個(gè)月就能研制出最優(yōu)解的藥物，包括未來(lái)智慧城市有幾十萬(wàn)輛車(chē)，幾百萬(wàn)個(gè)信號(hào)燈的情況，怎么控制城市交通不擁堵，這些都是需要算力的經(jīng)典場(chǎng)景，也是未來(lái)量子計(jì)算顛覆性的體現(xiàn)。Q4量子計(jì)算機(jī)會(huì)完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)嗎？

這是一個(gè)非常大的誤區(qū)，至少?gòu)娜祟?lèi)現(xiàn)有的知識(shí)水平來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)在處理問(wèn)題的領(lǐng)域上是不同的，量子計(jì)算機(jī)更擅長(zhǎng)處理海量數(shù)據(jù)并行運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、線(xiàn)性代數(shù)等問(wèn)題，但計(jì)算加減乘除就未必有經(jīng)典計(jì)算機(jī)快，量子計(jì)算機(jī)一般用來(lái)解決需要超大算力的問(wèn)題，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)替代的更多是現(xiàn)在需要用超算解決的問(wèn)題。

從另一個(gè)層面看，人類(lèi)目前還處于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的世界，大家通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直播的方式，可以看到我的樣子，聽(tīng)到我的聲音，這都是確定的狀態(tài)。但在微觀體系下，量子狀態(tài)是不確定的，所以量子計(jì)算機(jī)的交互最終還是要通過(guò)經(jīng)典界面或經(jīng)典計(jì)算機(jī)去呈現(xiàn)，并反饋給人類(lèi)，這也正是經(jīng)典計(jì)算機(jī)存在的價(jià)值之一。未來(lái)的 5 到 10 年，量子計(jì)算機(jī)更像是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充或加速器，例如新藥研制、氣象問(wèn)題等就需要交給量子計(jì)算機(jī)去處理，但日常問(wèn)題使用手機(jī)或電腦就可以解決。

Q5為什么說(shuō)量子信息技術(shù)是第二次「量子革命」？第一次量子革命早已和我們的生活息息相關(guān)，量子力學(xué)本身就已經(jīng)在服務(wù)于人類(lèi)了，只不過(guò)利用的是量子力學(xué)在宏觀體系下的原理，例如基于量子力學(xué)理論創(chuàng)造的經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的半導(dǎo)體、激光等。第二次量子革命最典型的體現(xiàn)是人類(lèi)真正意義上控制微觀體系下的粒子，使用現(xiàn)有技術(shù)抓取電子、原子，甚至通過(guò)制作原子來(lái)完成某些操控任務(wù)。另外，第二次量子革命還體現(xiàn)在信息領(lǐng)域，包括以量子保密通信、量子精密測(cè)量，和量子計(jì)算為主要方向的三個(gè)領(lǐng)域。Q6量子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展階段？第一階段是 2010年到2020年，谷歌、IBM 進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域，這十年時(shí)間是量子計(jì)算原型機(jī)的研制和開(kāi)發(fā)，將零配件進(jìn)行組裝，讓機(jī)器能夠完整運(yùn)行。IBM 和谷歌在2016、2017年完成原型機(jī)組件工作，本源量子是在2020年完成的。第一階段中國(guó)和一些發(fā)達(dá)國(guó)家，以及很多研制量子計(jì)算的國(guó)家都已經(jīng)相繼達(dá)到了這個(gè)水準(zhǔn)。

第二個(gè)階段是2020年到2030年左右，專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)的時(shí)代。專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)是指解決特定問(wèn)題，比如為新藥研制專(zhuān)門(mén)造的量子計(jì)算機(jī)，就只能解決藥物研制的問(wèn)題，不能去解決其他問(wèn)題。第二階段在硬件上需要快速提升的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)，例如更多的比特?cái)?shù)，更長(zhǎng)的比特相干時(shí)間、操作準(zhǔn)確度等。

第三階段是2030年后，能夠解決各類(lèi)問(wèn)題的通用量子計(jì)算機(jī)的時(shí)代。要想使其達(dá)到通用級(jí)，首先要解決量子計(jì)算機(jī)糾錯(cuò)容錯(cuò)的問(wèn)題，需要迭代更多的的時(shí)間和技術(shù)。