量子計算機會不會是下一次技術革命的突破口？

01-02

中國科學家離量子計算機更進一步。http://inews.ifeng.com/51025184/news.shtml

當年看量子力學，看半天也摸不著邊，聽老師說如果沒有量子力學，就沒有半導體，現場真的聽懂的同學恐怕一雙手就算得出來。但量子力學始終在我心中占著一定地位，可能因為自己對哲學的興趣，讓我對於明顯與哲學相通的測不準原理之類，多一層成年後的憧憬。

沒想到若干年後，量子計算機已經成為科技巨頭和矽谷風投狠砸資本的領域，尤其今年開春以來幾乎每一兩個星期就會有一則量子計算機的新聞，讓人有一種科幻片正在發生的感覺。

但事實上量子計算機突然爆紅是很合邏輯的，關鍵詞就是我們的老朋友機器學習。

不同於傳統電腦使用0與1的二進位系統，量子計算機在原理上所使用的量子比特（qubit），可以同時以不同的或然率存在於兩個狀態。換個角度而言，傳統計算機其實應該視為量子計算機的一個特例，在這個特例中一個比特只能夠是兩個可能狀態的任一，相對地，量子比特則可以是兩個可能狀態的任何疊加（superposition）。這個特質，加上不同量子彼此之間可以跨越距離進行糾纏（entanglement），讓量子計算機理論上可以用很少的能量就完成大量的平行運算。

這裡面又以矩陣乘法（matrix multiplication）這樣的平行運算應用讓我們特別感興趣，這是因為神經網路中最重要的運算就是矩陣乘法。以二進位電腦的結構來說，隨著輸入維度的增加，矩陣乘法的硬體需求將以指數成長，雖然有很多方式可以進行簡化，但所有簡化技巧都只是治標不治本，如果人工智慧最終的目標是理解世界上人類在乎的所有事情，那麼顯然使用二進位電腦進行的機器學習一定會遇到運算需求指數成長的瓶頸。但如果採用量子計算機就不同了，通過疊加和糾纏，量子計算機對於輸入維度的增加理論上只有線性增長的需求，耗能的增長也會回到線性的路徑，其未來比傳統計算機有遠遠更多的想像空間。

因此隨著機器學習的大鳴大放，突然間一直被關在學術象牙塔里的量子計算機也成為了熱門話題，而看起來跑在最前頭的似乎是又是谷歌大神。根據它們最近的官方聲明，這家科技巨頭的20量子比特機型已經進入測試，另外他們也預定在年底前推出49量子比特（7x7矩陣）的機型——在谷歌的理論模型中，49量子比特將是量子計算機首次在各方面超越傳統電腦的「量子優越性」（quantum supremacy）時刻，如果谷歌真能如預期實現，2017年將成為計算機歷史上相當重要的一年。

人工智慧領域的老大哥IBM也沒閑著，他們在日前宣布在雲端開放其16量子比特的計算機給大眾測試使用。要注意的是，IBM的16量子比特計算機和谷歌正在測試的20量子比特計算機，誰強誰弱，其實這個階段很難評論，因為量子計算機本身理論就是建立在或然率上，因此量子比特的數目本身並無法代表計算能力，還得考慮到錯誤率和其他因素，所以很會公關宣傳的谷歌和累積了幾十年整合系統研發和量產能力的IBM，到底誰在量子計算機上佔有優勢，可能還要再幾年才能分曉。

另外除了科技巨頭以外，創業公司當然也沒閑著。最有名的量子計算機公司當數D-Wave和Rigetti Computing。

其中成立在1999年的D-Wave算是很老的創業公司了，也是唯一一家正式出貨量子計算機的（媒體上中國發明第一台量子計算機的新聞有所誤導）。但這家老店一直都被歐美學界質疑，認為其量子計算機並未真正應用到纏繞，直到2011年他們在自然期刊上刊出一篇論文，才稍稍堵住批評者的嘴巴。有趣的是谷歌最早開發量子計算機時，也是先採購D-Wave的商用量子計算機來做研究。

位於伯克利的Rigetti Computing則是新近的當紅炸子雞，其走紅的原因倒不在於有多少人真正理解他們的技術和區別性，而在於他們那華麗的投資人陣容：著名的安德森、YC的成長基金Continuity Fund、楊致遠的AME Cloud Ventures、Sutter Hill Ventures以及Lux Capital等。而隨著Rigetti明星陣容的投資人出列，作為老牌對手的D-Wave也趁勢從富達投資和高盛這樣頂級的金融機構手上融到了資金。

說了半天，量子計算機到底長成什麼樣呢？如果你在網上搜索的話，大概會找到類似下面的照片：

（Rigetti Computing的量子計算機）

如果你是第一次看到，可能會低頭看看自己手上的手機和眼前的電腦，然後懷疑是不是貼錯照片了。

事實上，目前的量子計算機技術多半利用超導體的量子特性，因此除了處理器和光纖連接主體本身以外，還需要完整的冷卻系統來把材料降溫到出現超導體的量子特性為止。以D-Wave那篇2011年的自然期刊論文為例，他們進行實驗的三個溫度分別為：絕對溫度22毫度、50毫度和90毫度，不僅根本就是在絕對零度邊緣徘徊，彼此差距也只有幾十毫度。換句話說，量子計算機的冷卻系統不只要夠冷，還要夠准——電競玩家的超高級水冷散熱肯定是不夠的。

這樣的計算機怎麼看都像是手工的精密機械，而不像當前工廠所能大量生產的。如果量子計算機開始取代傳統電腦，供應鏈會出現什麼樣的變動，大概不是分析師可以想像的。

量子領域一個有趣的現象，是各國政府投入的研究經費非常高，而且並不只限於美國。

（《經濟學人》上麥肯錫統計的2015年量子相關科技研發經費）

上圖是經濟學人根據麥肯錫的調查數據所整理出來的，可以看到2015年一整年，美國、歐洲和中國各投入了3.6億歐元、5.5億歐元和2.2億歐元的研發經費在各種量子領域中，而全球研發總支出更高達15億！燒了這麼多錢，不過多數老百姓除了之前那則新聞以外，恐怕一無所知??

另外，在專利申請上也有相當有趣的分布：

（來源同上，2015年量子技術相關的專利申請趨勢）

從上圖可以看到，整個歷史累積下來，美國和中國在量子技術的專利申請上毫無意外地位居前兩名，其中中國在量子加密技術（Quantum cryptography）上更是大幅超越美國高居第一。但更有趣的是，美國的專利申請在2005年前後到達了高峰，隨後幅度就大幅縮小，反而是中國的專利申請數量從2010年起飛，然後持續放大中。這也造成一些美國專家憂心中國量子技術超越美國，就像有些專家憂心阿里巴巴橫掃美國一樣。

未來幾年將有數十億歐元研發經費將流向各國的量子實驗室，這些實驗室的成果對於風險投資人來說，恐怕沒有比這更好的槓桿了。

餅畫的很大，看起來很好吃的樣子，但是最有錢的那些主政府軍方都還沒吃上，還是再等等吧

就算突破了，在能達到低成本大量量產之前應該都是不會達到民用的，因為量子計算機的能力太強，若是被民用，就一定會有大規模的網路犯罪，就像前一陣的勒索病毒，所能造成影響只能更大，因為在理論上講，在量子計算機面前，傳統密碼和加密等於無。所以，科技革命的突破口說不定，但一定不會像前幾次一樣大規模無差別變革，大概會集中在科技頂端，能源方面有可能，但其他的，我們就無緣接觸了。

理想很豐滿，現實是你讓守著xp系統的辦公室文員用上連硬體架構都完全不同的量子計算機，反正這活我是不接

問題是至今和可控核聚變一樣你藍星人根本沒摸著邊。