火热的量子计算，后面算计几何？

上上周英国首相 Boris 提出英国要大力发展量子计算，建造通用型的量子计算机，并确保英国到 2040 年占据全球量子计算市场的 50%份额。估计近期量子计算的技术突破和创记录融资，刺激到了这个伊顿公学毕业的政治精英。

11 月 15 日，IBM 宣布其最新的量子计算芯片“Eagle”实现了 127 个量子比特，第一次将量子计算设备推进到三位数。IBM 目标在明年实现 433 位量子处理器，然后在 2023 年实现 1121 位量子比特的处理器[1]。其中“Eagle”芯片是其目标的第一步。

由哈佛和 MIT 的物理学家创建的初创公司 QuEraComputing 近期宣布已经建造了一个创纪录的 256 位的量子计算机。两年之内，该公司预计要实现超过 1000 量子位。

另一家是 7 月份公布完成 1500 万美元 A 轮融资的 Atom Computing 公司，基于其中性原子技术开发了一台代号“凤凰”的 100 量子比特机器。

布里斯托大学前雇员创建的PsiQuantum, 目标采用光子集成技术实现100万量子比特。目前该公司已经获得融资超过4亿美元。

其它公司包括谷歌和 Honeywell 都有类似野心勃勃的量子计算计划。

对量子计算一直敬而远之，今天坐下来聊聊量子计算。

量子计算的原理

量子计算利用量子力学去解决特定问题，将实现计算的巨大飞跃。量子计算机目的要解决的当前最先进的超级计算机不能解决，甚至永远不会解决的非常复杂的问题。

随着集成电路技术的发展，今天的超级计算机性能非常的强大，但某些问题虽然初看很简单，但却是超级计算机不善解决，或者没能力解决的问题。比如一个吃饭座次的安排问题。假定最优的坐法只有一种，那么5个人的座次问题有120种可能。当人数增长到10人，则座次的可能性增加到3628800次（10！），超过300万。如果给梁山水泊108将排座次，则可能性一下增加到1.324642e+174种可能性。对于这样的问题，超级计算机需要非常大的工作内存去存储所有的可能性，然后分析其中的每一种结合，然后找到最优的组合。这个已经超过了超级计算机的能力。这只是一个简单的示例，在实际生活中也有许多超级计算机不善于或者无法解决的问题。比如一家快递公司运送东西到50个城市，需要找到一个最优路径，以节省燃油成本；投资公司想要对冲投资组合风险；制药公司想要模拟分子以更好理解药理反应。这些优化问题，都有将近无限大的组合空间，而最优化解常常非常少，甚至是唯一的。这些优化问题都不是超级计算机所擅长的，也是量子计算所要解决的问题。

在传统的计算机，内存里面的存储的是确定的数据，每个比特只有 0 或 1 两种确定状态。与一个电子比特不同，一个量子比特可以同时承担两个值或状态。因此量子计算机可以基于量子比特创造超高维度空间，从而可以表述这些状态空间巨大的复杂问题。量子计算机的另一个巨大优势在于，每一个计算步骤会同时影响所有现有的状态。因此，一个量子比特可以同时进行多项计算，由于这一特殊性，其结果是计算性能突出，可以呈指数级增长。基于量子波干涉的算法可以在这个超高纬度空间中寻找最优方案，并将它们转化为我们可以使用和理解的形式。量子计算机的胜利归功于量子物理学的两个关键原理：量子纠缠和叠加。

下图展示了量子计算过程。

第一步：机器被激活，2^n 状态被均衡的叠加在一起。n 位量子比特被叠加在一起，可以创造高纬度空间。这些量子比特相互具有随机行为，但是之间具有相关性，也就是量子纠缠。第二步，利用门，待解决的问题被编码到 2^n 状态的相位和幅度上面。第三步：基于物理量子干涉原理，正确或者最优解的幅度被放大，从而收敛到最优解。

其中一个使用这些技术的量子算法被称为格罗弗（Grover）搜索，目前看来最有应用前景。假设你需要从一个有N个项目的列表中找到一个项目。在经典计算机上，你平均要检查N/2个项目，在最坏的情况下，你需要检查所有N个项目。在量子计算机上使用 Grover的搜索，你会在检查了大约√N个项目后找到这个项目。这代表了处理效率的显著提高和时间的节省。例如，如果你想在一个1万亿的列表中找到一个项目，而每个项目需要1微秒的时间来检查。传统计算机需要1周，而量子计算机只需要1秒。

这就是量子计算的巨大潜力。

下图是IBM量子计算机的图片。

量子优越性/量子至上

量子优越性是指量子计算机做一些经典计算机根本无法合理做到的事情。自然杂志报道谷歌声称它的 54Bit 的量子计算机实现了量子优越性。其在200秒内完成了QC任务（一个特定的随机数生成），而这个工作在超级计算机上则需要1万年[2]。文章中称：

在达到这一里程碑的过程中，我们表明，量子加速在现实世界的系统中是可以实现的，并且不被任何隐藏的物理规律所排除。量子至上也预示着噪声中尺度量子（NISQ）技术的时代。我们展示的基准任务在生成可认证的随机数方面有直接的应用；这种新计算能力的其他初步用途可能包括优化、机器学习、材料科学和化学。然而，实现量子计算的全部承诺（例如肖尔的因式分解算法）仍然需要技术上的飞跃，以设计容错的逻辑量子比特。

尽管我们看到了量子技术近期的突破，但量子技术的实用还很遥远。目前可能用于量子技术的技术路线包括：

• 超导量子计算（通过小型超导电路（约瑟夫森结）的状态实现的量子比特）
• 陷落离子量子计算机（由陷落离子的内部状态实现的量子比特）
• 光阵中的中性原子（由困在光阵中的中性原子的内部状态实现的量子比特 。
• 量子点计算机，基于自旋的（例如Loss-DiVincenzo量子计算机）（由困住的电子的自旋状态给出的量子位）。
• 基于空间的量子点计算机（由电子在双量子点中的位置给出的量子比特）。
• 核磁共振量子计算机（NMRQC）用溶液中分子的核磁共振来实现，其中的量子比特由溶解的分子内的核自旋提供，并用无线电波进行探测
• 固态核磁共振凯恩量子计算机（由硅中磷供体的核自旋状态实现量子比特）
• 氦上电子量子计算机（量子比特是电子自旋）。
• 基于钻石的量子计算机（通过钻石中氮空穴中心的电子或核自旋实现的量子比特）
• 基于玻色-爱因斯坦凝聚物的量子计算机 。
• 基于晶体管的量子计算机--利用静电陷阱夹带正电洞的字符串量子计算机
• 基于稀土金属离子掺杂的无机晶体的量子计算机（通过光纤中掺杂物的内部电子状态实现量子比特）。
• 基于类金属碳纳米球的量子计算机。

量子计算火热，到底有没有用？我对量子计算技术的看法

人类社会是靠想象力，虚构的故事实现大规模协作的。这些虚构的故事，就像人类的梦想一样，能够将更多的人凝聚起来，从而推动人类的进步。纵观历史上的诸多事件，比如登月计划，以突破人类生存空间为目的，将全世界大多数人凝聚了起来。可能今天的人很难想象当时人们看到登月电视直播时的心情，但一定记得美国宇航员阿姆斯特朗的那句经典：“这是我迈出的一小步，却是人类迈出的一大步。”

在今天这个时间点，经过 Covid19 这样对人类造成重大伤亡，并彻底改变很多人的生活的瘟疫之后，人类需要一个共同的故事，避免冲突，重新将人类凝聚。量子计算，也许很难达到像登月计划一样的共识，但也是人类尚未企及的高峰。目前全球各个主要国家和企业都在对量子计算大举投入，也算得上参与度很高的一个方向。量子计算这个梦想，在人类遭遇创伤之后，同样给人类以慰藉，并带来新的希望。这也许有助于人们走出新冠的阴影。人类总是会向前的，也许量子计算是一个可能的选项。

另一方面，实现量子计算，还面临很多关键的技术挑战。在目前的量子计算的解决方案中，都是在原子，光子等更小的尺度，探索人类的未知。能够吸收社会资金，投入这样一个有可见前景的全球性项目，即使很难在短时间在达到预期的目的，也必将推动人类在微纳尺度上的技术革新，并有可能产生许多有益于人类发展的技术产出。

以此来看，量子计算有没有用，应该不是现在需要讨论的问题。但量子计算的实现过程，一定是有意义，并非常有价值的。希望我们在经历疫情之后，能够在量子计算这个梦想之下，重新凝聚起来，重新回到那个相互合作交流的全球化时代。

Reference

[1] https://www.nature.com/articles/d41586-021-03476-5

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z