當前量子計算技術前沿是什麼水平？

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量子計算對未來的人工智慧技術落地有很大幫助，不知道目前量子計算到底是什麼水平？回答的朋友也請介紹下去哪裡知道最前沿的這些技術吧。

同學，可以看看我們機器之心，每天都有最前沿，已經翻譯成漢語的內容發布。^_^

比如這一篇：

量子計算新突破：英國科學家提出大大簡化囚禁離子的新技術

前言：蘇塞克斯大學的物理學家日前向外界公布一項頗具開創性的技術，稱這一新技術可以大大簡化大尺度囚禁離子量子計算機的構建，這使我們離量子計算機的真正問世又更近了一步。

目前量子計算機還處於「概念」階段，但來自世界各地的大量計算機科學研究人員，正在這個已投入億萬資金的研究課題上如火如荼地展開研究，並且相信在近 50 年超級強大的量子計算機將會被研發出來。

在量子計算機系統的構建上，大部分用來創建量子門所利用的「原料」主要有以下幾種：囚禁的離子和原子；光粒子；作為量子位元的超導電路（IBM 所使用的技術）。

利用囚禁的離子的方法來構建的量子計算機，目前主要通過激光光束來創建量子門。

這種方法在創建小型的量子計算機（只有幾個量子位）上是可行的。然而要構建真正意義上的量子計算機，僅僅只有幾個量子位（quantum bits）是遠遠不夠的。因為量子位太少，無法實現大規模的計算，這也意味著用這種方法你需要一個擁有數億激光束的系統來構建量子門，並且激光束的排布需要控制在 5 微米誤差之內。

通過囚禁離子（trapped-ion）構建的量子計算機將會擁有一組量子位的 X 結（X-junctions），這些量子位是通過對量子晶元表面上各自獨立的離子的捕獲而產生的（灰色區域）。這些彼此獨立的量子位可以通過操控電壓來獲得，就像通過調頻來收聽不同的頻道那樣簡單。試想以下情形：在 V1 電壓下，沒有任何量子位的操作（藍色區域）；V2 電壓下，產生了一個量子位（綠色區域）；V3 電壓下，產生兩個「糾纏」態的量子位（紅色區域）。以此類推，一個任意大的量子計算機都可以完全通過如此簡單的工程方法來實現。（圖片來源於蘇塞克斯大學。）

以上的方法在實際中非常難以實現，這也是為什麼至今也沒有真正意義上的量子計算機出現。蘇塞克斯大學的研究人員所提出的方法，解決了通過囚禁的離子這種方法來構建超級計算機所遇到的瓶頸。通過微晶元上電壓的改變來創造量子門來代替之前的激光光束，這個方法操作起來極為簡便。

「我們的方法將構建量子計算機的難度降到與經典計算機構建同等難度。經典計算機的構造中含有很多晶體管，這些晶體管的作用是通過電壓來執行經典的邏輯門，」蘇塞克斯大學的離子量子技術研究組的量子技術研究教授 Winfried Hensinger 在 IBTimes UK 的採訪中說到。

「我們運用微波輻射技術，也就是將整個量子計算機包圍在微波之中，然後我們設置將要處理區域的局部磁場梯度變化，在這之後就可以運用電壓的改變來產生量子門，通過對離子位置的改變來控制離子和整個微波場的相互作用。」這項研究已經在 Physical Review Letters 上發表，論文標題「Trapped-Ion Quantum Logic with Global Radiation Fields」。

一個創建量子門的簡易方法

要創建一個量子門，兩個量子位的量子糾纏是必備條件。其中兩個粒子可以保持相同狀態，即使兩個粒子在空間距離上相距很遠，其中一個粒子的狀態改變也會同步到另一個粒子。

如果你想構建一個量子門，那麼你將需要囚禁的離子之間能夠「共鳴」。但如果你僅僅需要一個單獨的量子位，那麼你會需要改變離子位置的選擇，這樣它就不會和全局微波場交互，這個過程在目前技術下是完全可以實現的。

蘇塞克斯大學是 Networked Quantum Information Technologies (NQIT) 的核心成員之一，該機構的研究資金來源於英國政府，也是英國政府在量子科技產業上的前沿陣地。

英國政府寄希望於英國的量子科技產業能誕生兩個大型的量子計算機範本——一個是在牛津大學，另一個就是在蘇塞克斯大學。

目前為止，超導量子位和囚禁離子型量子計算機的研究已取得了一定的進展，目前科學家已經實現大約 10 個量子位。

相比之下，目前蘇塞克斯大學的研究員在他們實驗室中所構建的量子計算機僅 2 量子位，但是他們下一代的量子計算機將會有 10 量子位，而且預計在三到四年之內研發完成。

「大型量子計算機的構建難度已大為降低。有史以來第一次，你可以僅使用電壓來控制囚禁離子量子位以打造量子計算機，」Hensinger 說到，並且他個人認為囚禁離子型的量子計算研究將比超導量子研究的進展更快。

「這項研究將會徹底改觀當前囚禁離子型量子計算機的構造過程，就像是從功能型手機到智能手機的轉變。最明顯的優勢是這個技術可以產生數以萬計的量子位，而且完全是當前技術可實現的。」

「量子計算對未來的人工智慧技術落地有很大幫助，不知道目前量子計算到底是什麼水平？回答的朋友也請介紹下去哪裡知道最前沿的這些技術吧。」

1 要想知道量子計算最前沿的技術，每年三月去APS開年會即可。明年在新奧爾良。

2 通用量子計算機，現在超導方案和離子阱方案差不多並駕齊驅吧，超導貌似更有MOMENTUM一些，離子阱畢竟有先天不足。

3 就前兩天JOHN做報告的內容來看，在SCALE UP方向「最前沿」的結果（也就是說，實驗室結果出爐半年到一年）大概還是9個QUBIT。下面要做7X7了，祝好運……

4 其實量子計算真不應該光盯著SCALE UP。比如那個用TRANSMON模擬化學反應過程和反應幾率的實驗，其物理味道遠比九個QUBIT搞賓士要豐富。

謝邀。關於量子計算的詳細科普，參見我的《從量子力學到量子衛星》知乎專欄。

作者：袁嵐峰

鏈接：知乎專欄

來源：知乎

著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

中國即將發射全球第一顆「量子衛星」，這是科學界的一件大事，也是產業界的一件大事。量子衛星的科學意義究竟是什麼呢？量子衛星的全稱是量子科學實驗衛星，它是用來做量子信息實驗的。我們將在這裡介紹量子信息學的基本框架，並回答若干常見的問題，給出一幅大圖景。希望讀者今後看到層出不窮的相關消息時，理解它們在說什麼，不再感嘆「不明覺厲」。

基於浮空平台的量子密鑰分發

量子、台階、離散

一個首當其衝的問題是，什麼是量子？這個詞雖然看起來有些抽象，但實際的意思卻很簡單，可以解釋為「離散變化的最小單元」。比如我們登台階時，只能上一個台階、兩個台階等，而不可能上半個台階、1/3個台階等，這就是一種離散的概念，一個台階就相當於一個量子。

在微觀世界裡，很多物理量都是離散變化的，這是微觀世界的一種本質特徵。例如，氫原子中電子的能量只能取一個基本值（-13.6電子伏特）或者它的1/4、1/9、1/16、1/25等等，但不能取其2倍或1/2、1/3。準確地描述微觀世界的物理學理論就是量子力學。

宏觀物體是由微觀粒子組成的，所以要準確描述宏觀世界，原則上也必須用量子力學。牛頓力學只是量子力學在宏觀條件下的一個近似理論，又被稱為經典力學。在後文中，我們將會看到在某些問題中經典結果和量子結果的對比。讀者只要記住「如果兩個結果不一致，量子總是對的，經典總是錯的」，就差不多了。

新舊量子論

量子力學的起源是在1900年，普朗克（Max Planck）在研究「黑體輻射」問題時，第一次發現必須把某個物理量當作離散變化的，在黑體輻射中這個物理量是輻射攜帶的能量。在此基礎上，愛因斯坦（Albert Einstein）、玻爾（Niels Henrik David Bohr）、德布羅意（Louis Victor de Broglie）等人後來提出了許多重要的概念，大大擴展了量子力學的應用範圍。

有趣的是，愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎，是因為他在解釋光電效應時提出了光量子理論，而不是因為相對論。上述這些科學家的工作被後人稱為「舊量子論」，因為，雖然屢經擴展，這些理論卻仍然是一堆智慧的碎片，缺乏統一的數學框架，對稍微複雜一點的體系就無法定量處理了。

1925年，這種狀況被海森堡（Werner Karl Heisenberg）的工作所改變，他使用矩陣的數學語言，第一次給出了一套能夠精確描述任何微觀現象的理論。過了沒多久，薛定諤（Erwin Rudolf Josef Alexander Schr?dinger）用微分方程的數學語言給出了另一套理論，很快又證明了兩種理論是等價的。從那以後，人類更深一步地了解了微觀世界的奧秘，進而創造了不計其數的奇蹟。

量子力學創始人群像

量子力學對陣相對論

量子力學和相對論是二十世紀的兩大革命性科學理論，對人類的世界觀都造成了巨大的震撼。但科學界之外的人往往不知道，其實這兩者在實際應用和研究的活躍程度上相差甚遠。

未來的量子通信（示意圖）

量子力學能用來幹什麼呢？更該問的是它不能幹什麼！宏觀物質的性質是由其微觀結構決定的，所以量子力學解釋了導電性、導熱性、硬度、超導、超流、相變等日常可以見到的多種物理現象。可以說，現代社會碩果累累的技術成就，幾乎都與量子力學有關。

另一方面，相對論在物體以接近光速運動時和強引力場條件下有基礎作用。可是想一想，日常生活中有多少機會遇到這些情況呢？所以目前相對論的應用，局限在宇宙學、原子鐘、全球定位系統等領域。攏起來能講出不少，跟量子力學的應用相比卻是九牛一毛。

量子態疊加（想像圖）

因此，現在所有的物理專業學生和許多相關專業（尤其是化學）的學生，都要學量子力學，而學廣義相對論的只有少數理論物理專業的學生。在科技新聞中你會發現，量子力學領域日新月異，相對論領域卻是在驗證愛因斯坦100年前預測的引力波。

多重量子態（想像圖）

量子力學的「三大神秘」和「一個必需」

從信息科學的角度看，量子力學是一種可資利用的數學框架。能不能利用量子框架做到在經典框架下做不到的事？這就是量子信息研究的問題。

向非專業的讀者解釋量子力學，從來就是一個難題。從幫助人們通俗地理解量子信息的角度來說，我們可以把量子力學的框架總結為「三大神秘」和「一個必需」。「三大神秘」包括：疊加，測量，糾纏。「一個必需」則是：對量子態的變換。

從這四個元素，可以引出「量子比特」，以及多種多樣的量子演算法和量子通信方案。下面分別來介紹這些元素。

每當你感到「這怎麼可能」、「這不是胡說八道嗎」的時候，請記住，這些原理不是某個科學家的心血來潮無端虛構，而是已經經過近百年來的無數實驗反覆證明的，其應用範圍幾乎涉及我們身邊所有事物。

第一大神秘：疊加

比特是計算機科學的基本概念，指的是一個有且僅有兩個可能的狀態「0」和「1」的體系，這類似於硬幣的正、反兩個面。但在量子力學中，情況出現了本質的不同。量子力學有一條基本原理叫做疊加原理：如果兩個狀態是一個體系允許出現的狀態，那麼它們的任意線性疊加也是這個體系允許出現的狀態。

那麼，什麼叫做「狀態的線性疊加」呢？為了說清楚這一點，最方便的辦法是用一種數學符號表示量子力學中的狀態，就是在一頭豎直一頭尖的括弧「|&>」中填一些表徵狀態特徵的字元。在量子信息中，經常把兩個基本狀態寫成|0&>和|1&>。而|0&>和|1&>的線性疊加，就是a|0&> + b|1&>，其中a和b是兩個常數。這種符號是狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）發明的，稱為狄拉克符號。疊加原理說的是，如果一個體系能夠處於|0&>和處於|1&>，那麼它也能處於任何一個a|0&> + b|1&>。後面在討論第二大神秘「測量」的時候，我們會看到，對a和b唯一的限制就是它們的絕對值的平方和等於1，即|a|^2 + |b|^2= 1。

疊加原理乍看起來完全和常識相反。假如用|0&>代表你正在北京喝茶，|1&>當作你正在巴黎喝茶，那麼(|0&> + |1&>)/√2就意味著你同時處於北京與巴黎喝茶！這種狀態怎麼可能存在呢？但量子力學的一切實驗結果都表明，疊加原理是正確的，是一條必不可少的基本原理。至少在微觀世界的應用中，科學家對疊加原理充滿信心。一個電子確實可以同時位於兩個地方。至於宏觀世界裡為什麼沒見過一個人同時位於兩處，那是另一個深奧的問題，相當於著名的問題「薛定諤的貓」，我們在本文中不做更多的討論。

量子疊加

在疊加原理的框架下，經典的比特變成了量子比特，也就是說它不是只能取0或取1了，而是可以處於任意的a|0&> + b|1&>狀態，包括a = 1、b = 0的|0&>和a = 0、b = 1的|1&>。這是個巨大的擴展，可以想像，一個量子比特潛在地包含比一個經典比特大得多的信息量。之所以說「潛在地」，是因為這只是一個可能性，要發揮出來還需要十分聰明的實驗設計。

量子糾纏（想像圖）

為了更方便地理解這個概念，我們可以把一個量子力學的狀態理解成一個矢量，實際上狄拉克符號|&>正是為了讓人聯想到矢量而設計的。在一個由這些態矢量組成的平面上，|0&>和|1&>定義了兩個方向，相當於兩個坐標軸上的單位矢量。在|a|^2 + |b|^2 = 1的條件下，a|0&> + b|1&>就是任何一個從原點到半徑為1的單位圓上一點的矢量。看清楚這個幾何圖象，我們立刻就明白，單位圓上任何一點的地位都是相同的，沒有一個狀態比其他狀態更特殊，可謂「眾生平等」。

多世界理論（想像圖）

現在來定義兩個狀態，|+&> = (|0&> + |1&>)/√2和|-&> = (|0&> - |1&>)/√2。它們相當於|0&>和|1&>都向一邊旋轉45度。如果把|+&>和|-&>當作基本狀態，用它們的線性疊加來表示所有的其他狀態，同樣是可行的。取一組矢量，如果其他所有的矢量都能表示成這組矢量的線性疊加，那麼這組矢量就叫做「基組」。|0&>和|1&>構成一個基組，|+&>和|-&>也構成一個基組，這樣的基組有無窮多個。

第二大神秘：測量

在經典力學中，測量固然是一種重要的操作，但我們並不會認為測量過程跟其他過程服從不同的物理規律。可是在量子力學中，測量跟其他過程確實有本質性的區別，描述量子力學中的測量要用與眾不同的物理規律！關於量子力學的許多著名的爭論，如「薛定諤的貓」、多世界理論，都是由測量造成的。我們在這裡不擬詳細討論這些爭論，而是直接給出絕大多數科學家接受的共識。

量子力學中的測量，特殊在哪裡呢？首先，一次測量必須對應某個基組。不同次的測量可以改變基組，比如說這次用|0&>和|1&>，下次用|+&>和|-&>，這是允許的，但你每次必須說清當前用的是哪個基組。然後，在|0&>和|1&>的基組中測量a|0&> + b|1&>（a和b都不等於0），會使這個狀態發生突變，變成|0&>和|1&>中的某一個。我們無法預測特定的某次測量變成|0&>還是|1&>，能預測的只是概率：以|a|^2的概率得到|0&>，|b|^2的概率得到|1&>。由於只可能有這兩種結果，所以這兩個概率相加等於1，這就是前面所說的|a|^2 + |b|^2 = 1的來源。

量子測量

量子態

這種內在的隨機性是量子力學的一種本質特徵。在經典力學中，一切變化都是有確定原因的，同樣的原因必然要導致相同的結果，而量子力學卻不是。

量子力學實驗室

有人在這裡可能要問：經典力學中也有隨機性，擲硬幣不就是一半可能朝上，一半可能朝下嗎？回答是：同樣是概率，背後的原因不一樣，可改進的餘地也不一樣。擲硬幣的結果難以預測，是因為相關的外界因素太多：硬幣出手時的方位、速度、空中的氣流狀況等等。也就是說，擲硬幣的概率反映的是信息的缺失。你可以通過減少這些因素的干擾來增強預測能力，例如在真空中擲，消滅氣流，用機器擲，固定方向和力度，最終使得擲出某一面的機會顯著超過另一面。但在量子力學中，概率是由體系本身的狀態決定的，不是由於外界的干擾，不是由於缺少任何信息，因此完全沒有辦法做什麼「改進」。所以再次強調，這種隨機性是內在的，是量子力學的一種本質特徵！

第三大神秘：糾纏

前面說的都只是一個量子比特的體系，已經有這麼多不可思議之處。多個量子比特的體系，可想而知會更加奇怪。

EPR對（想像圖）

在經典力學中，我們如何描述一個兩粒子體系的狀態？我們會說，粒子1處於某某狀態，粒子2處於某某狀態。在量子力學中，有些兩粒子體系的狀態也可以用這種方式來描述，例如常用狄拉克符號|00&>表示兩個粒子都處於自己的|0&>態，|01&>表示粒子1處於|0&>態，粒子2處於|1&>態，|11&>表示兩個粒子都處於自己的|1&>態。在數學上，把這樣的狀態稱為兩個單粒子狀態的「直積」，就是直接相乘的意思。我們還可以用直積來定義兩個粒子都處於自己的|+&> =(|0&> + |1&>)/√2態的狀態，即|++&> = [(|0&> + |1&>)/√2] [(|0&> + |1&>)/√2] = (|00&> + |01&> + |10&> + |11&>)/2。看起來，直積態已經能表示所有的多粒子態了，但是這不對，事實並非如此！

漫畫：貝爾不等式

考慮這樣一個兩粒子狀態：(|00&> + |11&>)/√2。它是|00&>和|11&>的一個疊加態（是的，疊加原理對於多粒子體系也適用），我們把它記作|β00&>。這個態能不能寫成兩個單粒子態的直積呢？也就是說，(|00&> + |11&>)/√2能不能寫成(a|0&> + b|1&>) (c|0&> + d|1&>)？回答是不能。因為這個狀態中不包含|01&>，也就是說ad = 0，但是a如果等於0，|00&>就不會出現，而d如果等於0，|11&>又不會出現。無論如何都矛盾，所以只能承認這個狀態不能分解成兩個單粒子態的直積。這就意味著，不能用「粒子1處於某某狀態，粒子2處於某某狀態」來描述|β00&>。

量子糾纏

EPR對

有趣的是，糾纏這個重要的量子力學現象，是由幾位反對量子力學的人提出的。而這幾位反對量子力學的人當中，領頭的就是愛因斯坦！

如前所述，愛因斯坦曾經對舊量子論的發展做出重要的貢獻，他得諾貝爾獎是因為提出光量子理論而不是因為相對論（當然這是諾貝爾獎評獎委員會在開歷史玩笑，不是愛因斯坦的問題）。但隨著新量子論的發展，愛因斯坦對量子力學的許多特性產生了深深的懷疑。他認為每個粒子在測量之前都應該處於某個確定的狀態，而不是等到測量之後。在他看來，這才叫「物理實在」。愛因斯坦的一個經典問題是：「你是否相信，月亮只有在我們看它的時候才存在？」

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）提出了一個思想實驗，後人用他們的姓名首字母稱為EPR實驗。先讓兩個粒子處於|β00&>態，這樣一對粒子稱為「EPR對」。然後把這兩個粒子在空間上分開很遠，可以任意的遠。然後測量粒子1。如果你測得粒子1在|0&>，那麼你就立刻知道了粒子2現在也在|0&>。好比成龍電影《雙龍會》中有心靈感應的雙胞胎，一個做了某個動作，另一個無論有多遠都會做同樣的動作。而最重要的問題是，既然兩個粒子已經離得非常遠了，粒子2是怎麼知道粒子1發生了變化，然後發生相應的變化的？EPR認為兩個粒子之間出現了「鬼魅般的超距作用」，信息傳遞的速度超過光速，從而違反了狹義相對論。所以，看來量子力學肯定有「問題」。

玻爾與愛因斯坦

這個問題非常深邃。不過量子力學有一個標準回答：處於糾纏態的兩個粒子是一個整體，絕不能把它們看作彼此獨立無關的，無論它們相距有多遠。當你對粒子1進行測量的時候，兩者是同時發生變化的，並不是粒子1變了之後傳一個信息給粒子2，粒子2再變化。所以這裡沒有發生信息的傳遞，並不違反相對論。

量子通信（想像圖）

貝爾不等式

在愛因斯坦的時代，人們只能對EPR實驗進行哲學辯論，無法通過實驗做出判斷。1964年，貝爾（John Stewart Bell）指出，可以設計一種現實可行的實驗，把雙方的矛盾明確表現出來。對兩粒子體系測量某些物理量之間的關聯，如果按照EPR的觀點，這些物理量在測量之前就有確定的值，那麼這個關聯必然小於等於2；而按照量子力學，這個關聯等於2√2，大於2。這個經典體系應該滿足的不等式就叫做貝爾不等式，而量子力學不滿足貝爾不等式。

量子通信網路（想像圖）

1980年代，阿斯佩克特（Alain Aspect）等人做了實驗，結果是在很高的置信度下違反貝爾不等式。EPR的思想實驗最初是用來批駁量子力學的，結果卻證實了量子力學的正確！

類似的故事在科學史上也有。十九世紀的時候，泊松（Simeon-Denis Poisson）主張光是粒子，菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）主張光是波動。1818年，菲涅耳計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的衍射花紋。泊松指出，按照菲涅耳的理論，在不透明圓板的正後方中央會出現一個亮點。他認為這是不可能的，於是宣稱駁倒了波動說。但菲涅耳和阿拉果（Dominique Francois Jean Arago）立即做實驗，結果顯示果然有亮斑出現，波動說大獲全勝。後人很有幽默意味地把這個亮點稱為泊松亮斑。這正應了尼採的話：「殺不死我的，使我更強大！」

EPR現象既然是一個真實的效應，而不是愛因斯坦等人以為的悖論，人們就想到利用它。現在EPR對成了量子信息中最有力的工具。對此我們只能說，深刻的錯誤超過淺薄的正確，偉人連錯誤都是很有啟發性的！

現在科學家們認為，糾纏是一種新的基本資源，其重要性可以和能量、信息、熵或任何其他基本的資源相比。但目前還沒有描述糾纏現象的完整的理論，人們對這種資源的理解還遠不夠深入。有人把糾纏比喻為「青銅時代的鐵」，它可能會在下一個歷史時代大放異彩。

量子計算（想像圖）

一個必需：對量子態的變換

前面說了這麼多，都是對量子態的描述，還沒有回答另一個基本問題：如何把一個態變成另一個態？對這個問題的回答倒是不神秘：所有的可逆變換都是可以實現的。用線性代數的術語說，可逆變換就是「酉變換」，不過在下文中我們不使用這個術語。

量子信息的優勢

從上述內容可以看出，量子信息跟經典信息相比有很大的優勢。經典比特的0和1隻有兩個狀態，量子比特的a|0&> + b|1&>卻有無窮多個狀態，這是一個顯而易見的優勢。還有一個稍微複雜一點的優勢。一個包含n個經典比特的體系，總共有2^n個狀態。想知道一個變換在這個n比特體系上的效果，需要對這2^n個狀態都計算一遍，總共要2^n次操作。對n個量子比特的體系，卻有一個巧妙的辦法。使所有量子比特都處於自己的|+&>態，那麼整個體系的狀態是|++…+&> = (|00…0&> + |00…1&> + … + |11…1&>) /2^(n/2)，0和1的所有長度為n的組合都出現在其中。對這個疊加態做一次操作，所有2^n個結果都會產生出來！

但在歡呼之前，我們需要認清，這個巨大的優勢並不容易利用。因為所有2^n個結果是疊加在一起的，要讀取出其中某一個需要做測量，而一做測量就把其餘的結果破壞了。所以這個優勢只能稱為潛在的巨大優勢，真要利用它，需要非常聰明的演算法設計，只有對極少數問題能夠設計出這樣的演算法。有些科普文章把量子計算機描寫成無所不能，這是重大的誤解。量子計算機的強大，是與問題相關的，只針對特定的問題。

量子計算和量子通信

量子信息學是量子力學和資訊理論結合的產物。量子信息的研究內容可以分為兩大塊，量子計算和量子通信。從這個分類，我們立刻就可以發現，量子信息還遠沒有進入生活，因為大家都還在用經典的電腦和手機呢。

量子通信（想像圖）

具體地說，量子通信已經有了一些實際應用，量子衛星就是做相關實驗的。而量子計算的發展要原始得多，還處於演示階段，還沒有造出有實用價值的通用的量子計算機。這對中國倒可以算作一個好消息，因為我們在接近實用化的量子通信方面是領先的，在量子計算方面雖然落後於歐美，但大家都還在盲人摸象，並沒有產生實際效益，我們完全有可能趕上來。

量子計算的實驗體系

要用某個體系實現量子計算，需要滿足四個條件：一，用它表示量子比特，能長時間處於量子疊加態；二，使這個體系按照期望的方式變換；三，把量子比特製備到特定的初始狀態；四，測量體系的輸出狀態。遺憾的是，這些條件往往是互相矛盾的。例如原子核的自旋可以作為很好的量子比特，但是測量它的狀態卻非常困難。

因此，量子計算的實驗體系目前還是八仙過海，莫衷一是。主流的方案有四種：光子、光學共振腔、離子阱、核磁共振。包括中國科學技術大學的潘建偉、郭光燦、杜江峰三個研究組在內，世界各大研究組在這些方向有許多實驗研究。

至於非主流的方案，那就更多了：有說用量子點中的電子的，有說用超導體中的庫珀對的，有說用光頻點陣的，有說用玻色-愛因斯坦凝聚物的……這些都還算常規。還有說用粒子物理中的介子、夸克、膠子的！在你驚掉下巴之前，別急，還有說用宇宙學中的黑洞的！！

位於青海湖海心山的糾纏源（示意圖），用於百公里量級自由空間量子隱形傳態和糾纏分發實驗

量子信息的應用

量子信息究竟能用來幹什麼呢？下面我們就開始介紹量子信息的若干項應用。在概念演示方面，有量子鈔票（一個有趣的防偽構想）和超密編碼（一個量子比特如何相當於兩個經典比特）。在量子計算方面，有因數分解（破解最常見的密碼體系）和量子搜索（用途最廣泛的量子演算法）。在量子通信方面，有量子隱形傳態（「傳送術」，最科幻的應用）和量子密碼。量子密碼是目前唯一接近實用化的應用，但這一個就足夠證明量子信息的重要性。

量子原理（想像圖）

量子鈔票

量子世界（想像圖）

假如有一個人拿到這張真鈔後企圖複製一張偽鈔，在銀行不告訴他真實狀態的情況下，他只能自己做測量來嘗試知道哪些位置是|0&>，哪些位置是|+&>。但一旦他對|0&>用了|+&>和|-&>的基組，或者對|+&>用了|0&>和|1&>的基組，就有一定的概率產生不應該有的|1&>或|-&>。隨著量子比特序列的長度增加，這個概率無限趨近於100%，所以造假者會以接近100%的幾率暴露其面目。

超密編碼

有兩個粒子處於前述的EPR態|β00&> = (|00&> + |11&>)/√2，甲乙兩人各持有一個粒子。現在甲想要傳給乙一個兩位的經典信息（即00、01、10或11這四個字元串中的一個），卻只允許他傳一個量子比特，他能做到嗎？回答是：能。

微觀量子（想像圖）

做法是這樣的。如果想傳00，甲什麼都不用做。如果想傳01，甲就對手裡的粒子做一個變換，使整個體系變成|β01&> = (|00&> - |11&>)/√2。如果想傳01，甲就對手裡的粒子做另一個變換，使整個體系變成|β10&> = (|01&> + |10&>)/√2。如果想傳11，甲就對手裡的粒子做另一個變換，使整個體系變成|β11&> = (|01&> - |10&>)/√2。做完這個變換後，甲把手裡的粒子交給乙，現在乙有了這兩個粒子的整體。所有這四個態|β00&>、|β01&>、|β10&>和|β11&>都是EPR對，或者稱為貝爾態。它們構成一個雙粒子態的基組，稱為貝爾基組。乙在貝爾基組下對兩個粒子做一次測量，確認是哪一個EPR對，就知道了甲要傳的是哪個二比特信息。

當然，這裡用到了兩個量子比特，但甲從來都沒有和乙手裡的粒子打交道。關鍵在於，僅僅對自己手裡的粒子做一次操作，就能使雙粒子狀態從一個貝爾態變成另一個貝爾態。

前面說過，一個量子比特潛在地具有很大的信息量。到底是多大呢？超密編碼說明，在某種意義上，一個量子比特相當於兩個經典比特，能夠以一當二！

因數分解

所謂因數分解，就是把一個合數分解成質因數的乘積，例如21 = 3 × 7。因數分解是數學中的經典難題。有人也許會問，這有什麼難的？分解21當然輕而易舉，但分解2^67 - 1 = 147,573,952,589,676,412,927呢？這是個18位數。直到1903年，人們才發現它是一個合數，等於193,707,721 × 761,838,257,287。

讓我們想想，如何分解一個數字N。最容易想到的演算法，是從2開始，一個一個地試驗能否整除N，一直到N的平方根為止。如果N用二進位表示是個n位數，即N約等於2^n，那麼嘗試的次數大約就是2^(n/2)。位數n出現在指數上，這是非常糟糕的情況，因為指數增長是一種極快的增長，比n的任何多項式都更快。舉個例子，2^(n/2)比n的10000次方增長得還要快。

在計算機科學中，把計算量指數增長的問題稱為不可計算的，把計算量多項式增長的問題稱為可計算的。當然，你可以尋找效率更高的演算法。對於因數分解，「從2開始一個一個試」並不是最聰明的演算法。在經典計算機的框架中，目前最好的演算法叫做數域篩，計算量是exp[O(n^(1/3) log^(2/3)n)]（在數學中，大寫字母O後面跟一個式子，表示結果跟這個式子具有同等的數量級），雖然有些改進，但仍然是指數增長。如果計算機一秒做10^12次運算，那麼分解一個300位的數字需要15萬年，分解一個5000位的數字需要50億年！

由此可以看出因數分解的一個特點：它的逆操作，即找兩個質數並算出乘積，是非常容易的；而它本身，卻是非常困難的。這種「易守難攻」的特性，使它在密碼學中得到了重要的應用。現在世界上最常用的密碼系統叫做RSA加密演算法，這個名字是三位發明者李維斯特（Ron Rivest）、薩莫爾（Adi Shamir）和阿德曼（Leonard Adleman）的首字母縮寫。RSA是一種公開密鑰密碼體系，它的密鑰是對所有人公開的。為什麼敢公開？因為解密需要知道這個密鑰分解成哪兩個質數，而發布者有信心別人在正常的時間段內解不開。

量子計算（想像圖）

但是這種狀況要被量子計算改變了。前面說過，量子計算相對經典計算有潛在的巨大優勢，只是實現這種優勢需要聰明的演算法設計，只有對極少數問題能夠設計出這樣的演算法。而因數分解，就是這樣的問題之一。1994年，肖爾（Peter Shor）發明了一種量子演算法，把因數分解的計算量大幅減少到O(n^2 logn loglogn)，指數式地加快！在這裡我們只舉兩個例子表明它的威力。同樣還是分解300位和5000位的數字，量子演算法把所需時間從15萬年減到不足1秒鐘，從50億年減到2分鐘！

經典科幻電影《星際迷航記》中的場景，類似於量子隱形傳態

如此重大的變化，足以令密碼人員陷入恐慌。但實際上還沒有，人們仍然在淡定地用著RSA。為什麼呢？因數分解的量子演算法只是理論，真要實現它還需要很多努力。

如前所述，量子計算的實驗非常難做。第一次真正用量子演算法分解質因數是在2007年實現的，把15分解成3 × 5。有兩個研究組同時做出了這個實驗，一個是中國科學技術大學的潘建偉和陸朝陽等人，一個是澳大利亞布里斯班大學的A. G. White和B. P. Lanyon等人。此後各國科學家不斷努力，使用種種辦法推向前進。目前分解的最大的數是143 = 11 × 13，是由中國科學技術大學的杜江峰和彭新華等人在2012年實現的，他們把肖爾演算法改進成了量子絕熱演算法。所以，密碼人員仍然可以照常工作，但必須時常關心量子計算的進展。不定什麼時候，全世界的密碼體系就必須徹底更新換代了！

量子搜索

設想有一部雜亂無章的N個人名的花名冊，其中的人名沒有按照任何特別的順序排列，你想在其中找到一個特定的名字，如「張三丰」，怎麼辦呢？在經典框架下，最好的演算法就是老老實實地從頭看到尾。如果運氣好，第一個就找到了；運氣不好，到最後一個即第N個才找到。平均而言，這需要N/2次操作。

1996年，格羅弗（Lov Kumar Grover）提出了一種全局搜索的量子演算法。如前所述，量子計算機能在一次操作中遍歷所有的條目。但如果我們只做一次操作然後去做測量，就只有1/N的概率得到正確結果，所以這沒有用處。但如果我們做了一次操作後不做測量，再做另一個操作，就會使正確結果的概率增大一些。把這種操作重複√N次，就會使正確結果的概率達到一半。把整個過程再重複幾次，就可以以非常接近100%的概率找到所需的條目。量子搜索付出的代價是結果不再是完全確定的，但好處是計算量從O(N)下降到了O(√N)，而不確定程度可以隨需求任意減少。

因子分解的量子演算法對經典演算法是指數級的改進，把不可計算變成了可計算。量子搜索對經典搜索卻只是平方級的改進，沒有發生質的變化，仍然是不可計算。但是這個改進已經非常大了。如果N等於一億，這就是一萬倍的節約。一類問題不可計算的意思，並不是完全不能計算，而是在問題的尺度大到一定程度後才算不動。量子搜索帶來的計算量下降，可以使「在實際條件下能夠計算」的問題範圍大大增加。由於全局搜索是非常常見而重要的問題，所以量子搜索的重要性並不遜於量子因數分解，甚或猶有過之。

量子隱形傳態

在科幻電影中，經常有把人從一個地方瞬間傳送到另一個地方的鏡頭。如果說這種傳送術有什麼科學依據，那就是量子隱形傳態。當然，實際上離傳送人還很遠，但現在已經能傳送一個光子了，——真的很了不起耶！：-）

量子隱形傳態是1993年設計出來的一種實驗方案，把粒子A的未知的量子態傳輸給遠處的粒子B，讓粒子B的狀態變成粒子A最初的狀態。請注意，傳的是狀態而不是粒子，兩個粒子的空間位置都沒有變化。好比A處有一輛汽車或一個人，不是把這輛汽車或這個人搬到B處，而是把B處本來就有的一堆汽車零件或原子組裝成這輛汽車或這個人。

有人要問了：那豈不得到了相同的兩輛汽車？兩個人？！哪個是真正的自己呢？！在為倫理問題發愁前，一句話就可以消滅這個問題：不會出現相同的兩個人。大自然早有安排，杜絕了這種可能性。當粒子B獲得粒子A最初的狀態時，粒子A的狀態必然改變。任何時刻都只能有一個粒子處於目標狀態，所以只是狀態的移動，而不是複製。如果一定要說複製，也是一種破壞性的複製。這好比武俠小說中，前輩把功力傳給後輩，傳完後前輩就沒有功力了，而不會同時出現兩個高手。在宏觀世界中複製一本書或一個電腦文件是很容易的，在量子力學中卻不能複製一個粒子的狀態，這是量子力學與經典力學的一個本質區別。

類似於量子隱形傳態，蟲洞也是科幻中出現的傳送方式

很多人認為隱形傳態可以瞬間把人傳到任意遠的地方，而且超過光速，推翻相對論。很遺憾，這個理解又是錯誤的。量子力學中狀態的變化確實是瞬時的，但是隱形傳態的方案中有一步是把一個重要的信息（可以理解為一個密碼）從A處傳到B處，利用這個信息才能把B粒子的狀態變成目標狀態。這個信息需要用經典信道傳送，例如打電話、發郵件，這一步的速度不能超過光速，所以整個隱形傳態的速度也不能超過光速。

利用量子原理進行加密

也有人以為隱形傳態是先掃描出A處的物或人的狀態，再在B處組裝一個相同的物或人。事實也並非如此。如果要先知道目標狀態，那還有什麼意思？隱形傳態是在不知道A粒子的狀態的情況下，把B粒子變成這個狀態！就像送快遞，不知道送的是什麼東西，但保證原原本本地送到。

總而言之，量子隱形傳態是以不高於光速的速度、破壞性地把一個粒子的未知狀態傳輸給另一個粒子。打個比方，用顏色表示狀態，A粒子最初是紅色的，通過隱形傳態，我們讓遠處的B粒子變成紅色，而A粒子同時變成了綠色。但是我們完全不需要知道A最初是什麼顏色，無論A是什麼顏色，這套方法都可以保證B變成A最初的顏色，同時A的顏色改變。

量子隱形傳態的基本思路是這樣：讓第三個粒子C跟B組成EPR對，而C跟A離得很近，跟B離得很遠。做一個操作，改變C的狀態，於是B的狀態也發生了相應的變化。這時A和C這個兩粒子集合的狀態有四種可能，即四個貝爾態。B的狀態也相應地有四種可能，每一種可能都跟A最初的狀態有一定程度的相似之處，可以通過某些量子力學的操作變成目標狀態。對A和C的整體做一次測量，A和C就隨機地突變到了四個貝爾態中的某一個上，相當於得到了一個兩比特的字元串，00、01、10或11，B也突變到了相應的狀態。把這個兩比特的字元串通過經典的通訊手段（比如電話、光纜）告訴B那邊的人，對B按照密碼進行操作，就得到了A最初的狀態。在某種意義上，可以把量子隱形傳態理解為超密編碼的逆操作，都是一個量子比特和兩個經典比特的交換，區別只是交換的方向。

第一次實現量子隱形傳態是在1997年，當時潘建偉在奧地利因斯布魯克大學的塞林格（Anton Zeilinger）教授門下讀博士，他們在《自然》上發表了一篇題為《實驗量子隱形傳態》（「Experimental quantum teleportation」）的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章後來入選了《自然》雜誌的「百年物理學21篇經典論文」，跟它並列的論文包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等等。

2015年，潘建偉、陸朝陽等人在《自然》上發表了《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態》（「Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon」），新的成果是「多個自由度」。這項成果被英國物理學會評為2015年十大物理學突破之首。

什麼是自由度呢？自由度就是描述一個體系所需的變數的數目。例如在數學中確定一條線上一個點的位置，只需要一個數，自由度就是1。定位一個面上的一個點，無論用直角坐標、極坐標還是任何其他的坐標系，都需要兩個數，自由度就是2。同理，定位三維空間中的一個點，需要三個數，自由度就是3。在物理中描述三維空間中一個運動的粒子，確定位置需要3個數，確定速度又需要3個數，所以自由度是6。光子具有自旋角動量和軌道角動量，如果你看不懂這兩個詞，沒關係，只要明白它們是兩個自由度就夠了。在1997年的實驗中，傳的只是自旋角動量。此後人們傳輸過多種體系的多種自由度，但每次實驗都只能傳輸一個自由度。

量子密碼是迄今唯一有望實用化的量子信息應用（想像圖）

傳輸一個自由度固然很厲害，但是只具有演示價值。隱形傳態要實用，就必須傳輸多個自由度。這在理論上是完全可以實現的。打個比方，現在用顏色加形狀來表示狀態，A粒子最初是紅色的正方形，我們通過隱形傳態讓B粒子變成紅色的正方形，同時A變成綠色的圓形。這個擴展看似顯而易見，但跟傳輸一個自由度相比，有極大的技術困難。隱形傳態需要一個傳輸的「量子通道」，這個通道是由多個粒子組成的，這些粒子糾纏在一起，使得一個粒子狀態的改變立刻造成其他粒子狀態的改變。用量子力學的術語說，這些粒子處於「糾纏態」。讓多個粒子在一個自由度上糾纏起來已經是一個很困難的任務了，而要傳輸多個自由度，就需要製備多粒子的多個自由度的「超糾纏態」，這更加令人望而生畏。潘建偉研究組就是攻克了這個難關，搭建了6光子的自旋-軌道角動量糾纏實驗平台，才實現了自旋和軌道角動量的同時傳輸。

《道德經》說：「道生一，一生二，二生三，三生萬物。」我們可以說1997年實現了道生一，那時潘建偉還是博士生。2015年實現了一生二，這時他已經是量子信息的國際領導者。從傳輸一個自由度到傳輸兩個自由度，走了18年之久，這中間有無數的奇思妙想、艱苦奮鬥，是人類智慧與精神的偉大讚歌。

量子通信有很好的保密性（想像圖）

好，我們現在終於可以傳送一個光子的兩個自由度的完整狀態了，那麼離傳人還有多遠的距離呢？可以這樣估算。12克碳原子是1摩爾，即6.023 × 10^23個。人的體重如果是60公斤，就大約有5000摩爾的原子，3 × 10^27個。描述一個原子的狀態，我不知道要多少個自由度，姑且算作10個吧。那麼要描述一個人，就需要10^28量級的自由度。我們剛剛從1進步到了2……所以，嗯，我們的征途是星辰大海！

量子密碼

這是迄今唯一接近實用化的量子信息應用。雖然只有這一個，但這一個就具有極高的軍事和商業價值，足以證明各國對量子信息的大力投入是物有所值的。許多人把量子密碼跟量子隱形傳態混為一談，其實它們完全是兩回事，而且在實現的難度上相差甚遠。在許多語境下，「量子通信」這個詞指的就是量子密碼，也就是量子保密通信。

前面說到目前最流行的密碼體系是RSA，它的可靠性是以因數分解的困難性為基礎的。量子密碼的基本出發點與它不同，不是基於任何數學運算的困難性，而是基於物理原理。因此，量子計算的進步會使RSA岌岌可危，量子密碼卻不會被任何技術進步攻破。這麼好的東西，原理究竟是什麼呢？

其實很簡單。製備若干個處於|β00&> = (|00&> + |11&>)/√2態的EPR對，每一個EPR對都讓甲乙兩人（在文獻中常稱為Alice和Bob）各拿一個粒子。甲通過擲骰子產生一個序列，擲出正面時就在自己粒子的|0&>和|1&>基組中做測量，擲出反面時就在自己粒子的|+&>和|-&>基組中做測量。乙通過擲骰子產生另一個序列，也是擲出正面時就在自己粒子的|0&>和|1&>基組中做測量，擲出反面時就在自己粒子的|+&>和|-&>基組中做測量。請注意，(|00&> + |11&>)/√2 = (|++&> + |--&>)/√2，所以這個EPR對不但在測量粒子1的|0&>和|1&>態時必然使粒子2變成相同的狀態，也在測量粒子1的|+&>和|-&>態時必然使粒子2變成相同的狀態。

擲完骰子，做完測量後，甲乙兩人通過公開的經典信道把自己的骰子序列傳輸給對方。有些地方骰子序列不同，兩人做的是不同基組下的測量，那就把這些測量結果扔掉，只留下那些相同基組下測量的結果。這樣就得到一串0和1的序列。由於|β00&>這個糾纏態的性質，兩人的序列必然是完全相同的。而且這個序列還是完全隨機的，在測量之前無法預測，每次重新生成也都會不同。這正是密碼學中「一次性便箋」的思想。

為了應對可能的竊聽者，甲乙兩人在相同基組下測量的結果中又隨機地挑一些公布，和對方的結果對比。一旦發現有一個不同的，就說明有人在竊聽，因為竊聽是一種測量，必然會改變系統的狀態。隨著對比的位數增多，竊聽者會以趨近於100%的幾率暴露無遺。

通過反竊聽的檢驗後，兩人把序列中剩下的部分作為密鑰。這時他們可以放心，這個密鑰沒有任何別人知道。然後他們用任何經典的方法傳輸信息，電話也好，電子郵件也好，光纜也好，甚至平信，都可以。唯一的特別之處，只是用量子密鑰對信息進行了加密，對方收到後用同一個量子密鑰解密。

量子密碼有多種實現方案或者稱為協議，以上所述是其中的一種「EPR協議」。各種協議的基本思想是一樣的，都是利用量子力學的內在隨機性，在物理層面上排除被破解的可能性。如果說因數分解的量子演算法是最強的矛，量子密碼是最強的盾，那麼請問，以子之矛攻子之盾，誰勝？答案是：盾勝！

有趣的是，研究量子密碼的緊迫性跟量子計算的進展有關。等到可以破解RSA的量子計算機實用化時，量子密碼必然成為各國的不二選擇。

量子衛星

量子科學實驗衛星是幹什麼的呢？量子保密通信的理論是歐美科學家提出的，而在實驗方面是中國科學家領先。最初只能在不到1米的距離內傳輸，現在已經超過了200公里。近年來紀錄不斷刷新，而創造紀錄的幾乎全都是中國科學技術大學的研究組。但目前都還是在地面上的光纜中傳輸。下一個問題就是，能不能在太空與地面之間的自由空間中傳輸？這就是量子科學實驗衛星要實驗的首要科學問題。

量子通信地面站

不但如此，量子衛星還可以進行更多的量子信息實驗。它包括4個有效載荷：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機。現在，你明白這些詞都是什麼意思了吧？衛星採用的是平台和載荷一體化設計，體積不大，重量只有數百公斤。

量子衛星問答

問：量子衛星和以前的衛星有何區別？目前全世界有幾家有這類衛星？

答：這是第一顆專門用來做量子信息實驗的衛星。以前有一些衛星能夠做量子信息實驗，但時間窗口非常有限，每天大概只有十幾分鐘。目前沒有任何別的國家有專門的量子衛星，中國這是全世界第一顆。

問：什麼時候能民用普及？

答：這取決於成本的下降速度。量子保密通信的終端機，五年間成本就從百萬元下降到一二十萬元左右，降幅近10倍。潘建偉估計，在可預見的未來，終端設備還可能降至萬元以下，進入家庭是完全可能的。在2016年的兩會上，他表示：「希望通過10年左右的努力，將來每個人在互聯網上進行的轉款、支付等消費行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。」

問：量子計算機什麼時候能造出來？

答：很難預測，因為誰也不知道這些技術難題用什麼樣的材料、什麼樣的思路去解決，還需要很多嘗試。用一位專家的話說，可能是明年，可能是一千年後。

問：在量子信息領域，中國和歐美有多大差距？

答：在量子通信的實驗方面，中國領先，已經接近產業化了。在量子計算方面，歐美領先，中國也有很多重要的成果，而整個領域離實用還非常遠。在量子信息的理論方面，歐美領先，中國需要向理論研究投入更多的人力物力。

當然，隨著中國實驗條件的提高，例如量子衛星佔據相關實驗的制高點，中國的理論家也會獲得更多更好的實驗機會，會形成良性循環。這可能會導致一種「工程技術逆襲理論研究」的發展模式。

大圖景

量子衛星發射，標誌著中國的量子通信產業化邁出一大步。中國首先創造一個新的產業，叢人類進入現代社會以來還是第一次。中國的高鐵現在做到了世界第一，但日本早就有新幹線了。華為在通信領域做到世界第一，但通信行業也早已存在。只有量子通信，在國際上是沒有先例的，所以這個中國首創的產業歷史意義非常重大。現在中國的發展已經到了要以科技創新為核心的階段。潘建偉、郭光燦、杜江峰等科學家的業績，是時代的最強音。

中國的量子通信為什麼能夠飛速發展？最基本的原因就是兩點，有領軍的人才，有足夠的投入。如果說還有別的，就是國家和民族的堅定意志。

IBM今年上半年搞了個大新聞，發布了基於5個超導量子比特的量子計算雲平台IBM Research Quantum Experience，公眾都可以註冊一個賬號編寫量子演算法，通過雲平台模擬或者實際使用位於IBM實驗室的量子計算機運行自己的演算法。網站上都有詳細介紹。

然而IBM也僅僅實現了5個量子比特，而且拓撲結構受限制，是由4個位於正方形角落的Qubit和中間一個Qubit組成，雙比特門只能搭在中間一個與四周任一個之間，演算法設計會受影響。

IBM的超導量子比特（準確的說，是Superconducting Transmon Qubit）相對其他Qubit的物理實現，優勢在於可擴展性有潛力提升，和目前微電子加工技術兼容，缺點是退相干時間相對較短。近些年IBM在這方面進步很快，呈指數增長（如下圖），並且去年實現了有效的錯誤檢測方法（DOI: 10.1038/ncomms7979），奠定了今年發布量子計算機的基礎。

量子計算離工業界實際應用還有很遠。目前關注度比較高的相關商業公司除了IBM還有D-Wave，後者已經發布了幾代絕熱量子計算機，不是通用量子計算。曾被寄託很高希望，被多所實驗室買下測試後發現速度與經典計算機相比沒有提升，目前基本是被學術界判死刑的狀態。下面一張幻燈片是我的一次報告中調查量子計算的關注度趨勢，除了這兩家公司發布新產品的時候，基本沒多少人關注。所以量子計算走向實用仍然任重道遠。

本身不從事量子計算研究，但身在IBM也來透露點，確實近兩年IBM集中了大量資源在量子計算機上，幾乎絕大部分IBM的美國籍員工都被參與到量子計算機的研究中（非美國籍員工無法參與），並且也從其他地方（軍工公司）挖來了從事過量子計算的人，據同事說美國軍方所掌握的量子計算技術比當下所謂的學術最前沿的還要前沿（當然軍用技術不會公開發表成果）。如果大家熟悉Raytheon的話（就是雷神，承包了美國各種軍用航空器雷達系統），前幾年收購了一家量子技術為主的公司，有興趣的可以搜索BBN Technologies

我不知道量子計算對未來人工智慧有幫助這個直接的結論是怎麼得到的。

現在已經有加拿大的一個公司叫D-Wave做出了商業化的量子計算機，谷歌也買了一台研究。現在已經能達到512 qubits。

題主有興趣可以網上搜索一下D-Wave，他們公司做的有科普和宣傳的視頻。挺有意思的不過都是英文的。

量子計算的基本理論發展得很好，然而卻是屠龍之術，因為迄今為止沒有任何一個實驗體系可以承載可實用化的量子計算。

絕大多數實驗體系受困於scaling up，也就是可擴展性成疑。各種實驗體系都僅僅在玩幾個量子比特，無一不是【剛剛好可以給大家演示一下：原來量子計算的原理還真的成立】的水平。

所以，總而言之，量子計算還沒有突破瓶頸，成為一種【我們就這樣接著做下去一定是有希望的】的事業。

也就是說，在現在這個年代，誰說有量子計算機，誰在吹牛。

國內在這個方面一下子落後了，而不聲不響的美國忽然領先了，這個事實讓人深思。究其原因，還是因為美國的實驗遠遠領先於世界，同時矽谷的一大批公司能將資本和技術結合起來。國內這幾年量子信息炒的熱，但是未免有些英雄氣短。美國在超導、離子井、光腔等技術方面都處於領先地位，而國內在任何一個方面都是不行的。美國有微軟、谷歌、IBM，還有耶魯、MIT、斯坦福、加州的一批實驗室，國內是望塵莫及。

回顧一下這些年的量子信息發展史，著實讓人深思。首先，量子信息領域興起於全球化的時代，全世界的物理學家共同參與領導。一向不聲不響的一些國家，比如加拿大、澳大利亞、新加坡，忽然在量子信息領域大放異彩。然而，這些國家有個硬傷：高精尖的技術不行。澳大利亞的光學不錯，但是相對於超導技術來講，屬於比較低端的技術。加拿大有個D WAVE公司，標榜自己是超導量子技術，但是卻是一個銀樣臘槍頭！新加坡的一搓人則是跟風起鬨和瞎胡鬧。2000年前後的繁華過後，量子信息領域漸漸冷了下來，這些國家的科學家們也沒有取得什麼成績。

目前，量子信息的理論比較成熟了，很多人開始慢慢轉變方向了。而這也是從基礎嚮應用過渡的標誌。美國的科技公司看準了時機。在未來10年，美國將會引領量子計算的技術。我們中國要加油噢！

從事相關領域，先簡單做些介紹，周末有時間用電腦更。

目前實現量子計算最有前景的體系為超導迴路量子比特（superconducting loop qubit），自從2007Yale的Rob Schoelkopf組提出並實現Transmon以後（簡單講就是利用超導現象做的一個二能級系統），開始展現其強大前景。目前發表出來的最新進展為Schoelkopf組實現的誤差修正（error correction）和John Martinis組組裝50個qubit，嘗試簡單計算的努力（他們用一個叫做Xmon的東西，基本換湯不換藥）

另一個很有前景的體系為離子體系（感覺叫冷離子更合適吧，cold ion），比較具有代表性的為Dave Wineland組（2012，諾貝爾物理獎），實現了最大規模的糾纏（遠大於超導比特體系，但是因為需要穩定的激光之類的東西，用起來比較麻煩）

最後附一個science上周的報道，有個叫IonQ的公司拉到了風投，準備在離子體系做量子計算機了，文章也簡單比較了其他一些體系的優劣。

Scientists are close to building a quantum computer that can beat a conventional one

量子科技確實先進，其實用技術也肯定存在，只是個人認為人類現在還無法掌握，僅僅還在理論層面研究。全球有關量子科技的實用技術消息報道滿天飛，我覺得都是在演一出精彩的戲劇。國外慣用的宣傳手法就像是對目標進行物理外觀偽裝，而中國的宣傳則是精神催眠誘導。。可能有關量子技術的理論和實際技術使用僅僅一門之隔。一旦找到那扇門，推開它，世界將會是翻天覆地的變化---「就像人變成了神」。現在時刻如果有誰拿出真正有實用功能的「真」量子科技技術，那隻能證明一件事情------外星生命確實存在，有人動用了不屬於地球科技的技術。

先造出能連續用24個小時手機電池再吹其它的吧！電池續航是鑒定一切偽電子科技的制勝法寶！

肢體移植是鑒定一切偽醫學技術的制勝法寶！