当前量子前沿技术.docx
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当前量子前沿技术
当前量子前沿技术
目录
前言：
1
（一）量子是个啥？
4
（二）各种量子技术都是啥？
6
（三）量子计算机有啥用？
9
（四）量子计算机怎么做？
11
（五）当前量子计算实验研究的各路高手都是谁？
17
（六）量子计算到底难在哪？
进展到哪一步了？
19
（七）量子计算何时商业化？
25
（八）中国的量子计算处于什么水平？
28
（九）结束语：
我们为什么要研究量子计算？
30
前言：
文章很长，分为九个独立的问题，可分别阅读：
（一）量子是个啥？
（二）各种量子技术都是啥？
（三）量子计算机有啥用？
（四）量子计算机怎么做？
（五）当前量子计算实验研究的各路高手都是谁？
（六）量子计算到底难在哪？
进展到哪一步了？
（七）量子计算何时商业化？
（八）中国的量子计算处于什么水平？
（九）结束语：
我们为什么研究量子计算？
不过在长篇大论之前想先喊几句：
量子计算机不是摩尔定律的延续，没有理由取代经典计算机在现阶段，“量子比特数大战”是没有意义的。
近几年量子计算“商业化”的泡沫极多，各种项目鱼龙混杂中国的量子科技有个别亮点，但总体显著落后于美国和欧洲。
这两年来，自己在被看过各种新闻的小伙伴们不停地问：
量子计算机还要多久才能造出来？
听说马上就要／已经造出来啦？
......
量子计算是不是快要商业化了？
有了量子计算机，IT产业会彻底颠覆吗？
程序员会大量失业吗？
......
中国是不是也要造出量子计算机了？
中国的量子科技世界领先吗？
你们实验室做得过中科大吗？
......
问话地点包括但不限于餐桌、微信、剧场、超市、洗手间等。
由此意识到两件事：
开心的是自己的领域最近确实在受到不一般的关注；但尴尬的是大家平时接触到的有关量子计算的报道（哪怕来自看似“专业”的媒体）几乎都带着很强的宣传甚至营销风格，极少会用科学的态度说事情，一次次地展示“科技新闻”的下限，让人分不清这究竟是一场科技革命，还是又一轮商业炒作。
这实在令人遗憾——在信息最发达的时代，铺天盖地的新闻却多是噪声，普通人依旧没什么机会弄清热门话题的真相。
这也是我动笔的主要原因——我希望更多理性的童鞋能了解一些有关量子计算的事实。
本文主要面向非专业读者，只需要基本的物理和信息技术常识即可。
本文也不是学术论文，重点是介绍这个领域的整体图像、主要挑战，尽量不涉及太多知识细节。
其实与当下的其它科技热潮（例如人工智能）相比，量子计算、尤其是它的物理实验是一个规模很小、离生活较远、有相当专业门槛的严肃科学领域（量子力学只是其中最最基本的知识），想通俗但准确地把事儿说明白挺不容易。
但我会努力尝试滴～不过最重要的是——区分什么是科学、什么是炒作：
（预览一下正文第六部分的几条屡试不爽的经验判据）
当前所有以量子比特数作为首要亮点的“进展”几乎都是炒作
所有在新闻媒体上首发或大肆渲染的“进展”几乎都是炒作
所有在朋友圈里大量转发、被非专业人群大量关注的“进展”几乎都是炒作
在现阶段，所有“多少年后做出量子计算机”的承诺都是炒作
车辆起步，请扶稳坐好。
［本文谈到的所有进展都已经公开发表，不会透露任何实验室的内部消息和图片］
首先也最重要的是，我们在谈论任何科技进展的时候都必须分清三个概念：
科学事实、理论构想、未来展望。
科学事实必须是清晰、准确、可重复的实验结果。
确凿的实验事实是最扎实的科学知识。
例如，氢原子有一个质子和一个电子，正常人有23对染色体等等。
当前量子计算机的研究也是建立在非常坚实的实验基础之上——后面会讲到，在过去的二十多年里，科学家已经在量子物理的两条新战线上分别取得了里程碑式的重大进展。
理论构想是依据已知科学事实、通过逻辑推演得出的预言或设计。
再精妙的理论构想也要经过实验检验之后才能被称为事实。
例如，1916年，爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的预言；但是这个构想直到1974年天体物理学家RussellHulse和JosephTaylor用Arecibo射电望远镜发现脉冲双星PSR191316后才首次得到明确验证（敲黑板，并不是最近的LIGO实验）。
不过，不是所有的理论家都像爱因斯坦一样伟大。
科学史上，优美的理论预言最终没能通过实验的检验是再常见不过的事。
另一类未能实现的理论构想存在于工程设计中。
很多童鞋可能都知道达·芬奇的“飞机”设计手稿，这里我们说另外一个例子——英国数学家和工程师CharlesBabbage最早在1837年设计出了一种叫分析机（AnalyticalEngine）的机械计算机。
用现代的计算理论看，分析机就是一台图灵完备（Turing-complete）的通用计算机，它有内存、有算数逻辑单元、有指令集、有条件与循环控制，编程方式很接近今天的汇编语言，理论上可以用纯机械方式完成现代电子计算机的所有运算。
1843年，英国数学家AdaLovelace（著名诗人拜伦的女儿）为分析机编写了一段伯努利数的计算程序，被认为是地球上的第一只程序猿。
但是，分析机的复杂与精密程度超过了十九世纪机械工程的水平，Babbage生前也没能为此得到足够的经济支持，于是这个原本可以成为人类第一台通用计算机的伟大设计就永远地停留在了图纸上，直到一百年后电子计算机问世。
其实，今天我们研究的量子计算机很像当年Babbage的分析机——都是非常精妙的理论构想，但在工程实践上都超前于时代，并且量子计算机的超前程度要远大于分析机。
今天的“量子算法”研究者也很像当年的AdaLovelace——在给一台现实中还不存在的机器写程序。
探索未来是基础研究非常迷人的地方；但我们同是要明白，不是所有构想都能成为现实，量子计算机从理论设计到真正问世中间有很长很长的路要走。
未来展望不用多说，举一个例子就够了：
“二十一世纪是生命科学的世纪。
”
事实、理论和展望在科研中都是必要的，但它们可靠性依次显著降低。
科技炒作的核心手段之一就是在宣传中把构想当作事实，把主观展望当作客观结论。
当下关于量子计算的种种“大新闻”大多如此。
所以请大家在阅读下文的时候特别注意三者的区别。
分清这几个概念，在我看来是比具体知识更重要的科学素养的体现。
（一）量子是个啥？
量子不是一种粒子，它在多数情况下是一个形容词而不是名词。
它也不是指分立、不连续，而是一套自然规律的总称——这套规律是人类现有认识范围内物质世界的“基本法”。
用个类比：
古时侯人们就懂得万物生长靠太阳、种田栽树要浇水施肥，这些都是农作物生长的规律；而现在我们知道，这些绿色植物生命活动的本质是细胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化学过程。
物理世界也是如此。
我们日常生活中接触到的各种力、热、电、光现象大多可以用建立于十七到十九世纪的经典物理学解释；但进入二十世纪后，科学家们发现世界是由原子组成的，如果想从分子、原子水平的上更本质地理解自然现象，就必须引入一套与经典物理很不一样的新规律，这就是量子力学。
引用当代最知名的理论物理学家SheldonCooper博士的话：
Quantumphysicsmakesmesohappy.It'slikelookingattheuniversenaked.
量子物理是人类迄今为止建立的最基础、最精确的科学理论，现代物理学的主体就是量子力学在各种不同物质尺度上的具体延伸和应用。
然而，依人们日常的经验和直觉来看，这套规律非常诡异，尤其是下面三点：
量子叠加（quantumsuperposition）：
在量子世界中，物体可以同时处于不同状态的叠加上。
从另一个角度说就是“波粒二象性”。
量子纠缠（quantumentanglement）：
在量子世界中，相互作用的物体之间存在着一种不受距离限制的、用任何经典规律都无法解释的关联。
这种关联携带着信息，使得发生纠缠的各个物体处于一种不可分割的整体状态，不能分别描述。
著名的“薛定谔猫态”就是思想实验中一只猫和一个放射性原子的纠缠态（猫也因此成为了量子物理学家的图腾，喵星人表示很无
辜）。
控制和利用量子纠缠，是量子信息处理的物理本质。
量子测量（quantummeasurement）：
量子世界中不存在安静的暗中观察者，测量不是被动地读取信息，而会根本地改变被测物体的状态。
它最简单的表现就是“海森堡不确定关系”。
量子测量的这种必须干扰被测物体的诡异属性使得人们从量子系统中获取信息变得极其困难。
实际中，我们制造量子计算机遇到的大部分难题最终都能归结到量子测量。
量子在不少人的印象中可能非常前沿甚至有点玄妙；但熟悉现代物理的童鞋都知道，量子力学正式建立距今已有九十多年，是一套相当成熟的科学理论。
那么今天的科学家又在研究什么？
按照理论造一台量子计算机不就完了？
不是这样的。
科学家对任何一种自然现象的研究必须经过“发现－理解－控制”三个阶段之后才有可能将其转化为实际应用。
以我们比较熟悉电磁学为例：
人们在古代就发现了雷电、磁石，在近代又发现了电流磁效应、电磁感应、电磁波......；经过库伦、安培、法拉第、麦克斯韦等几代科学家的努力，人们逐渐理解了各种电磁现象的内在规律，并最终形成了统一电、磁、光的经典电磁理论；与此同时，科学家们发明了莱顿瓶、伏打电堆、螺线管、电动机、发电机、天线等最基本的物理装置来控制电磁场，使得人们最终可以利用这种自然力进行工程实践，才有了后来的电气革命和信息革命。
那我们对量子的研究走到哪一步了？
量子的概念主要起源于19世纪末、20世纪初的一系列原子物理发现；量子力学在1925年后建立并迅速成熟，但是这套完备的理论建立在一些诡异的基本原理之上，人们对这些基本原理的理解至今还很欠缺；不过真正要命的是，尽管量子力学可以用来解释和预测海量的自然现象，“如何控制量子物体”的研究却一度进展地相当缓慢——在1990年代之前，科学家都几乎没有控制单量子态的能力。
由此导致的结果是，人类对量子力学的应用至今仍非常初级。
类比来说，晶体管、激光、核磁共振、原子钟这些发明对量子原理的开发程度，大概也就和指南针对电磁原理的开发程度差不多。
简言之，相比于对微观世界的认识，人类在实验上控制、测量量子系统的能力还很落后，这至今仍是量子技术发展的最大瓶颈。
（二）各种量子技术都是啥？
A.涉及量子原理的经典机器
这一类发明大多在上世纪中期出现，包括晶体管、激光、原子钟、核磁共振等等。
“涉及量子原理”是指这些仪器的核心工作原理都源自原子尺度上的、必须用量子力学解释的物质性质——半导体的能带、原子的受激辐射、超精细能级结构、原子核的自旋磁矩等。
那为什么说它们是“经典机器”？
这是因为这些仪器只是在微观组成上涉及量子力学，人机交互的过程是完全经典的。
例如，晶体管的功能来源于半导体中电子和空穴的运动；但是人使用晶体管不是去控制每一个电子和空穴，而是控制各个接口电压、电流的输入输出。
这里的电压、电流都是有大量微观粒子参与的、完全经典的物理量，观测不到什么量子涨落（quantumfluctuation）、不可同时测量之类的怪事。
电路中的晶体管也不会处于开和关的量子叠加，晶体管之间也不会发生量子纠缠......所以，晶体管只是在工作的微观原理上涉及量子现象，人使用晶体管的过程、用晶体管设计电子电路的方法则完全不涉及量子物理。
把晶体管、激光这类发明称为量子技术很容易让我们落入逻辑滑坡——万物的微观组成都是量子的，半导体是，木头、棉线也是，那照着么说木工、针线活也都算是量子技术咯？
因此，活在21世纪，我们需要明白：
尽管微观组成不同，激光器和缝纫机一样属于经典机器，真正的“量子机器”是我们需要依据量子力学原理来控制、使用的机器，比如——
B.量子通信（quantumcommunication）
激光、晶体管不算量子机器的本质上是因为人们在这些仪器中控制的只是大量微观粒子的集体运动，而不能对单个原子、电子或光子的量子态进行单独操控。
人类在单量子态水平上的第一种工程实践直到上世纪末才出现，那就是量子通信。
量子通信直白地说就是“量子电报”。
传统电报机收发的是经典电磁波，信息加载在电磁波的幅度、频率或者相位上；“量子电报机”收发的是单个光学频率的光子，信息加载在光子的不同量子态上。
量子通信的物理基础就是单光子的产生、操纵、传输和测量。
量子通信最早的理论方案在1984年和1991年被分别提出，1992年第一次得到了实验的原理性验证，随后在科学家们的努力下向着距离更长、装置更简单实用的方向发展。
此中最配得上“量子通信之父”称号的当是瑞士日内瓦大学的NicolasGisin，他领导的实验室除了一系列使用纠缠光子实现量子通信的标志性实验外，最重要的是在1997年发明了不用纠缠光子
的“plug&play”方案，成为实用量子通信的标准方法。
1995年，Gisin实验室借用瑞士电信公司跨日内瓦湖的湖底光纤，在日内瓦和尼永（Nyon）两个相距23公里的城市之间实现了第一次长距离户外量子通信。
Gisin与同事创办的IDQuantique公司于2003年实现了量子通信的商业化。
2007的瑞士大选中，日内瓦大学与IDQuantique为日内瓦州的电子选票传输提供了量子加密，这是量子通信技术第一次被官方公开使用。
此外，美国的MagiQTechn
ologies和法国的SmartQuantum公司等也很早都开始提供商业化的量子加密服务。
那么，这种收发单个光子的“量子电报机”究竟强大在哪？
人群中对此流传着几个误解：
误解一（低级错误）：
量子通信可以超光速
不可以。
所有利用了量子纠缠的量子通信方案同时还都需要一个经典信道的辅助，而经典通信不可以超光速。
误解二（中级错误）：
量子通信比经典通信更快
不是。
量子通信的主要意义不是加速，而是保密。
它传递的不是信息正文，而是加密密钥（也就是余则成藏在抽屉里的密码本）。
量子通信的实际应用通常也被称为量子密码学（quantum
cryptography）或量子密钥分发（quantumkeydistribution）。
经过量子加密的信息正文依然是由普通通信方式传递的。
误解三（高级错误）：
量子通信是绝对保密的
并不是。
正确的说法是：
在理想条件下，量子通信在信息传输过程中是无条件安全的。
特别地，这种的安全保障并非来自加密的数学复杂度，而是测量必须干扰量子态、未知量子态不可复制等基本物理原理——这是量子加密与经典加密最本质的区别。
然而，量子通信的安全性只是理想条件下的数学结论——假设光子传输过程中没有损耗、假设单光子态的制备、测量是完美的等等，很显然这些条件在实际中都不成立。
在2008年到2010年间，就至少有三个利用由实际中非理想条件导致的安全漏洞攻击IDQuantique或Ma
giQ商用量子通信系统的实验取得了成功，从事实上证明了现阶段的量子加密技术绝非不可破解。
现实条件下量子通信的安全问题和优化方式目前仍是一个活跃的研究领域。
更重要的是，量子通信的安全范围仅限于光子的传输过程中；而一个完整的通信过程至少包括编码、发送、传输、接收、解码几个步骤，量子力学定律可以保证密钥在理想的量子信道中不被窃听，但对收发两端的经典安全问题无能为力。
这一点其实让量子通信的实用价值大打折扣
——在现代保密系统中，最大的安全隐患经常就在于收发两端，而不是传输过程。
所以，尽管物理学家一直在大力宣传量子通信，不少信息安全专家却对此相当怀疑——不可否认，量子通信是非常有趣的物理实验，但它在现实中真正对信息安全有多大提高是个不小的疑问。
介于这些实际问题，尽管量子通信的基础研究在1990年代就已达到高峰（瑞士之外比较有代表性的还有奥地利维也纳大学、美国LosAlamos国家实验室、伊利诺伊大学、IBM实验室、英国电信实验室等），进入新世纪之后热度却逐渐下降，除了小范围之外没有得到大规模的应用和政府支持，直到2017年中国的量子保密通信“京沪干线”开通。
如此说来，量子通信的意义到底在哪？
我认为客观地说，量子通信的基础研究意义远大于实用价值。
且不谈量子加密在实际中的安全问题，保密通信本身在科技发展的大局中也只是一件小事。
即使量子通信得到了大规模推广，它对社会的影响依然是很有限的。
但是，量子加密技术的基础是1980年代以来一轮量子物理的重大进展——利用光学光子研究量子纠缠。
这轮研究的主要动机是对量子力学基本问题的探索——在此之前，人们对量子力学诡异属性的理解主要限于量子叠加，对更加诡异的量子纠缠、特别是纠缠和测量结合后出现的一些严重挑战经典世界观的深刻问题主要限于哲学讨论，而缺乏科学实验。
这其中最著名的就是量子非定域性（quantumnon-locality）检验，它将直接判明经典世界观中的局域因果性（localcasuality）和客观实在性（objectivereality）是否在真实世界中同时存在。
对此的实验探索起源于1970年代的美国，但最关键的工作主要出现在欧洲——除NicolasGisin外，最具代表性的还有法国光学研究所（Institutd'optique）的AlainAspect和奥地利维也纳大学的AntonZeilinger等。
这一领域的科学家们在二三十年间通过一系列基本而巧妙的光子实验极大地深化了人类对于量子纠缠的理解，让量子力学通过了最严苛的检验；同时积累了大量制备、操纵、测量单光子的实验技术，并开始思考量子纠缠的实际应用，直接导致了量子通信技术的诞生。
这在我的理解中是当代量子科技的第一个里程碑。
即使当前实用价值有限，理解和控制量子纠缠都是构造更复杂量子机器的必要前提，比如——
C.量子计算（quantumcomputing）
量子计算机不是“下一代计算机”，不是电子计算机的升级版，而是科学家构想中的一种高度复杂、高度可控的人造量子系统，兼具信息处理的功能。
量子计算机是人类当前设想中最复杂、实现难度最大的量子机器，一旦建成对科学和社会的影响也最深远。
量子计算是本文之后全部内容的主角。
此外，量子技术还包括量子仿真（quantumsimulation）、量子传感（quantumsensing）等。
（三）量子计算机有啥用？
先澄清一种流言：
量子计算机一旦做成，直接秒杀经典计算机。
正确的说法是：
理论构想中的大型、通用、容错量子计算机会在几类特定问题上有超出经典机器的计算能力。
量子计算机和“摩尔定律”到没到头关系不大。
量子计算机并不是一种更快的计算机。
它在逻辑、输出方式等方面与经典计算机根本不同，其中最本质的就是量子纠缠的存在。
在量子信息学的观点中，量子纠缠是与物质、能量、信息并列的一种自然资源，利用好这种资源能使量子计算机发挥出巨大威力。
但是，如何用它设计更快的算法，在理论上就是很大的挑战。
目前，对绝大多数计算问题，理论家们都还没有找到超过经典算法的量子算法；但在一些特殊问题上确实有了新的发现。
哪些问题呢？
最早发现的主要有两类：
一类可以归结为质因数分解（Shor算法），比已知最快经典算法有指数加速（准确说是超多项式加速）；另一类可以归结为无序搜索（Grover算法），比经典算法有多项式加速。
Shor算法和Grover算法分别于1994年和1996年被提出，可以说是它们的发现引起了科学界对量子计算的真正重视——尽管量子计算的初步概念在80年代初就已出现，但十几年来都只是很小圈子内的理论游戏，被认为既无法实现也没有用处；Shor算法和Grover算法终于为量子计算机找到了可能的实际应用。
其中Shor算法的影响尤其大——现代密码学中，几类常用的公钥系统包括RSA（Rivest–Shamir–Adleman）和ECC（elliptic-curvecryptography）等的基本加密原理就是大数分解的计算复杂度。
因此量子计算机一旦出现，将给现有的信息安全带来巨大威胁。
不过这种威胁并不紧急——想运行Shor算法破解密码需要有至少上百万个量子比特的通用、容错量子计算机，这其中的任何一个词在短时间内都无法实现。
并且，关于量子计算机无法破解的“后量子时代加密技术”的研究也已经有了不少成果。
所以，单是破密码这类“黑客活动”并不会赋予量子计算机科技革命式的重要意义。
在Shor和Grove算法提出后的十来年里，再没有第三类重要的量子算法被发现，量子计算理论的发展一度走向平缓。
但新的突破在2008年出现——AramHarrow、AvinatanHassidim和SethLloyd提出了
HHL算法：
在一系列前提假设下，量子计算机可以在对数复杂度内求解一些特殊的线性方程组。
这让这个领域又一次火了起来——与Shor算法只有“黑客应用”不同，线性方程组在现代计算中可以说是无处不在。
特别地，它是很多拟合、推断、优化问题的基础。
HHL的各种衍生算法与这些年人工智能的热潮结合，让这类研究有了个不能更时髦的名字——量子机器学习，这也让量子计算机第一次拥有了商业价值。
更好的是，一些量子机器学习算法只需要有50到100个量子比特的小型量子计算机就能展现出优势，这在当前实验发展的趋势下并非遥不可及。
在潜在利润的驱动下，从2011年开始，特别是2014年之后，各大商业公司开始纷纷关注量子计算。
这也是量子计算开始在各种媒体上频繁出镜的时候。
该说但是的时候又到了。
HHL算法与之前的Shor算法和Grover算法有根本的不同——严格地说HHL不是一个具体算法，而是一个在特殊假设和限制条件下的算法模版，或者说是一个完整算法的一部分。
它没有回答数据应该怎样读入读出，没有回答如何才能让量子计算机按照给定的参数演化，并且有非常苛刻的适用范围。
任何一个细节条件不满足，量子加速都会消失。
以HHL为模版设计一个具体算法就需要填补上这些细节，但极少有实际问题满足全部的限制条件，且满足这些条件的特殊问题很多时候都有更好的经典算法（各种量子机器学习算法中声称的加速绝大多数都是在用特殊条件下的量子算法和通用的经典算法做比较）。
当前量子机器学习的研究多是在抽象地发掘量子算法在某些计算步骤中的优势，而少有人下大功夫考虑具体问题和完整的计算过程。
简言之，理论家们找到了算法模版，但还没有明确落实可以使用这套模版的具体问题，也没有可以运行这套算法的机器。
因此，现在我们的结论只能是：
量子算法有希望加速机器学习中的某些步骤，但具体该怎样做还有待研究。
以上似乎有些悲观：
量子计算机短时间内在传统的计算问题上还没有清晰明确的应用。
但其实从物理学家的视角看，量子计算机最有价值的潜在应用并不是传统意义上的计算，而是量子仿真（quantumsimulation）——自然界中原子、分子的微观过程遵守的都是量子力学；可由于量子纠缠的存在，再强大的经典计算机也不能对规模稍大的量子系统（比如几十个原子）进行严格求解，而只能借助近似（密度泛函、MonteCarlo等），这就是现代计算物理、计算化学的核心。
然而，量子计算机就是一台自带量子纠缠的机器，最适合在编程之后模拟待研究的复杂量子系统，也就是用量子机器求解量子问题。
最原始的量子仿真在近二十年里已经是冷原子物理的重要方向，但它真正发挥出威力还是要等量子计算机的出现。
那时，凡是涉及大量微观粒子的研究，例如凝聚态物理、量子化学、分子生物学都将发生很深刻的变革；相应的应用学科，例如材料合成、药物研发等，也都会有很本质的改变。
说了这么多，量子计算机到底有啥用？
量子计算起源于好奇心驱动的思维游戏，近二十年有了坚实的实验进展，但它在短期内还将是一种基础研究，没有立即可操作的实际应用。
可从长远来说，它将给给现有的计算理论带来深刻变革，将极大加深人类对物质与信息的理解；特别地，它将是一种前所未有的计算微观世界的强大工具。
类比来说，量子计算机像是计算机中的火箭。
火箭再强大，也不能取代火车、汽车、自行车，因为它们的根
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