未來將至 - 量子計(jì)算百年風(fēng)云史 “量子比特”何時(shí)統(tǒng)治世界？

　　未來將至

　　在D-Wave的一份官方PPT中，公司的CTO喬迪·洛斯（Geordie Rose）認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)最具顛覆性和吸引力的就是在分子維度上模擬自然，它在制藥、化工還有生物科技等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用，由此，量子計(jì)算可以撬動(dòng)涵蓋上述3個(gè)總價(jià)值3.1萬億美元的市場。

　　這是10年前他在斯坦福大學(xué)演講時(shí)的期許。

　　回顧歷史，在麥克斯韋的19世紀(jì)，電磁物理推動(dòng)了電力的發(fā)展，使得人類社會(huì)的文明程度上升到前所未有的地步，毫無疑問推動(dòng)了工業(yè)和商業(yè)的進(jìn)步?；厥走^去一百多年，戰(zhàn)爭結(jié)束后，包括太空探索、計(jì)算機(jī)、核能開發(fā)等技術(shù)革命幾乎都與量子力學(xué)有關(guān)，而這些技術(shù)最終也無一例外地反過來促進(jìn)了民用和商業(yè)。

　　量子計(jì)算研究的成熟和繁榮也毫無疑問地有著這樣的效應(yīng)。

　　早在2002年，就有了第一家從事量子鑰分配的商業(yè)公司ID Quantique，10多年后，黑莓創(chuàng)始人邁克·拉扎里德斯（Mike Lazaridis）成立了1億美元的風(fēng)投基金投資量子計(jì)算，下一年，英國政府宣布投入2.7億英鎊來支持量子技術(shù)的研究和商業(yè)化。

　　現(xiàn)在，量子計(jì)算應(yīng)用最深入、最具現(xiàn)實(shí)性的領(lǐng)域毫無疑問地是在通信方面。

　　早在1970年，斯蒂芬·威斯納就提出了“量子錢”（quantum money）的概念，最早利用量子的測不準(zhǔn)性來進(jìn)行加密，直到1983年這一設(shè)想才得以以論文的形式公諸于世，在威斯納思路的啟示下，BB84協(xié)議問世。

　　量子通信的基本原理是這樣的，收發(fā)雙方的信息內(nèi)容是可以被編譯成光子偏振的，信息發(fā)送者利用隨機(jī)偏振發(fā)送信息，接受信息者發(fā)現(xiàn)并記錄下信息。然后，發(fā)送者在公頻告知接受者偏振頻率，兩者按照正確的偏振比對(duì)選擇的信息部分。如果在信息收發(fā)過程中有竊聽者并試圖轉(zhuǎn)發(fā)信息的話，那么傾聽者有一半的機(jī)會(huì)獲得正確的信息。

　　由于接受者獲得的信息中有一半是錯(cuò)誤的，他可以在公頻中將這些錯(cuò)誤信息和發(fā)送者選取隨機(jī)信息對(duì)比，然后重復(fù)收到錯(cuò)誤、對(duì)比的過程，直至得出正確的完整信息。也就是說，在整個(gè)信息收發(fā)過程中，要做到隱瞞收發(fā)雙方竊聽信息是不可能實(shí)現(xiàn)的。

　　正是基于上述的原理，量子通信可以最大限度地保證用戶的隱私和信息安全，也正因?yàn)檫@樣，量子通信在國家信息安全層面有著越來越迫切的現(xiàn)實(shí)需求，從根本上來說，這也是包括中國、美國及歐洲紛紛跟進(jìn)的原因。

　　1992年，本內(nèi)特和威斯納共同提出了超密編碼協(xié)議（super-dense coding protocol），利用一個(gè)無噪纏繞比特信道和一個(gè)無噪量子比特信道模擬出了兩個(gè)無噪經(jīng)典比特信道，次年，本內(nèi)特等六人發(fā)表的論文提出了隱形傳態(tài)協(xié)議（teleportation protocol），利用兩個(gè)經(jīng)典比特信道和一個(gè)纏繞比特實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子比特的傳輸。

　　這兩個(gè)協(xié)議的提出奠定了整個(gè)量子信息理論的基礎(chǔ)，向我們展示了經(jīng)典通信源和量子通信源結(jié)合、有噪通信源和無噪通信源結(jié)合的可能性。在隨后20多年的時(shí)間里，量子通信開始受到各國的重視并快速進(jìn)入應(yīng)用階段。

　　1993年，英國率先在10公里的光纖中實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)，4年之后，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)記錄地在48公里的地下光纖完成了量子密碼本的傳輸，1999年，日本和瑞典合作完成了40公里光纖的量子密碼通信。

　　中國在量子通信領(lǐng)域發(fā)表的論文遙遙領(lǐng)先于其他國家地區(qū) （來源：博客）

　　2000年，中國在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實(shí)驗(yàn)，到2004年，中國科學(xué)家在北京與天津之間成功實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分配，2005年，中國創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2009年，成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，同年8月，在合肥構(gòu)建了全球首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信。2010年，中國成功實(shí)現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳輸，比原世界紀(jì)錄提高了20多倍。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院以及北京郵電大學(xué)在論文發(fā)表數(shù)量上有著巨大優(yōu)勢(shì)。 （ 來源：博客）

　　在中國這個(gè)市場最大、資源最雄厚的地方，量子計(jì)算如野火一般燒遍各個(gè)領(lǐng)域，為焦土中的萌芽積攢下最肥沃的養(yǎng)料。尤其是在量子通信方面，中國在研究、應(yīng)用方面所獲得的成就全面領(lǐng)先于其他國家地區(qū)。除了墨子號(hào)的發(fā)射之外，現(xiàn)在，北京和上海之間建造的長約2000公里的“京滬干線”是世界上第一條量子通信網(wǎng)絡(luò)。

　　與此同時(shí)，在通信之外的領(lǐng)域，量子計(jì)算同樣也有著誘人的吸引力。

　　在航空領(lǐng)域，洛克希德·馬丁之所以采購 D-Wave 的機(jī)器，就是因?yàn)橄扔械慕?jīng)典計(jì)算機(jī)在進(jìn)行飛機(jī)軟件實(shí)驗(yàn)時(shí)往往力不從心，無法應(yīng)付大量繁復(fù)的數(shù)據(jù)。同樣的道理，NASA 也早早意識(shí)到了量子計(jì)算在分析外太空行星軌道數(shù)據(jù)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，也早早地和 D-Wave 建立起了合作關(guān)系。

　　在天氣氣候方面，量子計(jì)算也有著讓人期待的表現(xiàn)，在處理計(jì)算大規(guī)模數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)使得人們對(duì)于天氣氣候模型的認(rèn)識(shí)了解更深入及時(shí)的話，那么就能帶來更準(zhǔn)確的天氣氣候預(yù)報(bào)，而更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)必然提高自然氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)防力度和治理效率，實(shí)際上密切關(guān)系著人們正常的生活工作。Google 的工程總監(jiān)曾經(jīng)如此評(píng)價(jià)道：“我們相信量子計(jì)算可以解決許過最具挑戰(zhàn)性的計(jì)算機(jī)科學(xué)問題……如果我們想創(chuàng)造更有效的環(huán)境政策，我們就需要更好的模型來了解氣候究竟發(fā)生了什么。”

　　在制藥、生物科技方面，量子計(jì)算儼然一副救世主的面貌。這些行業(yè)推出一款可上市產(chǎn)品必然會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漫長的實(shí)驗(yàn)分子結(jié)合的過程，而往往這些實(shí)驗(yàn)又以失敗告終，因此，通過量子計(jì)算來節(jié)省大量的時(shí)間和成本不僅有利于這些公司的商業(yè)訴求，反過來也能極大地降低抗癌藥等高價(jià)藥的成本，最終幫助到普通病患。而在可以預(yù)見的未來，基因?qū)蛹?jí)的分析實(shí)驗(yàn)等必然會(huì)成為醫(yī)學(xué)研究的主要方向之一，而這同樣需要借助到量子計(jì)算的力量。

　　事實(shí)上，量子計(jì)算同樣能夠推動(dòng)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等的演化進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)高科技技術(shù)之間的協(xié)同效應(yīng)。

　　1999年，阿拉姆·哈羅（Aram W. Harrow）、阿維納塔·黑斯登（Avinatan Hassidim）及賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）共同發(fā)表論文提出了一種嶄新的量子算法以解決線性方程式系統(tǒng)，經(jīng)典算法所需要的時(shí)間為O（Nk），而該算法能將時(shí)間縮短至O（log（N）k2）。

　　機(jī)器學(xué)習(xí)就是識(shí)別系統(tǒng)中數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來的趨勢(shì)，其主要任務(wù)就是在高維向量空間（high-dimensional vector spaces）里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操控和分類，經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的算法受制于數(shù)據(jù)量和空間維度所決定的多項(xiàng)式時(shí)間，而量子計(jì)算機(jī)則能通過利用張量積的空間（tensor product spaces）來操控高維向量。

　　這上述被稱之為 HHL 的量子算法正好可以施用于支持向量機(jī)（support vector machine），而羅伊德參與的另一篇論文指出，所有的量子支持向量機(jī)都能被用作進(jìn)行大數(shù)據(jù)分類，而且較之經(jīng)典計(jì)算機(jī)在速度上有顯著的優(yōu)勢(shì)。

　　而今，自動(dòng)汽車、自動(dòng)駕駛、腦機(jī)交互、自然語言處理乃至線上廣告、搜索引擎、推薦系統(tǒng)等都是機(jī)器學(xué)習(xí)的熱門領(lǐng)域，從這一點(diǎn)來說的話，我們可以毫不夸張地說，量子計(jì)算實(shí)際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

　　實(shí)際上，如果我們留意墨子號(hào)報(bào)道的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在中國的量子衛(wèi)星項(xiàng)目中，阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站也是地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分。

　　而早在2015年，阿里巴巴就與中國科學(xué)院聯(lián)合成立了量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。

　　根據(jù)他們的規(guī)劃，到2025年，量子模擬將達(dá)到當(dāng)今世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的水平，初步應(yīng)用于一些目前無法解決的重大科技難題；到2030年，研制具有50~100個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算原型機(jī)，自主研發(fā)物理層設(shè)計(jì)、制造及算法，全面實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算功能，并應(yīng)用于大數(shù)據(jù)處理等重大實(shí)際問題。

　　除了處理購物網(wǎng)站頁面搜索、購買、交易等方面產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)之外，對(duì)這家中國目前市值最高的互聯(lián)網(wǎng)公司而言，量子算法最大的價(jià)值和意義在于更好地利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生更大的效益。

　　從金融、共享經(jīng)濟(jì)再到文娛產(chǎn)業(yè)，所有的這些產(chǎn)品與服務(wù)實(shí)際上都和中國互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)息息相關(guān)，而中國的互聯(lián)網(wǎng)用戶又是全世界最龐大最復(fù)雜的群體，要優(yōu)化甚至商業(yè)化這些數(shù)據(jù)，僅僅依靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)或者經(jīng)典算法或許還能應(yīng)付當(dāng)前的局面，但要如阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人所言成為橫跨3個(gè)世紀(jì)的百年企業(yè)的話，它無疑需要更具前瞻性和戰(zhàn)略性的技術(shù)作為儲(chǔ)備和殺手锏。

　　對(duì)它而言，對(duì)Google、微軟、特斯拉等公司而言，它們都是抱著同樣的心理。

　　而這亦是促使從我們這個(gè)漫長故事開頭的奧斯特到麥克斯韋再到普朗克、玻爾以至圖靈、休爾、格羅夫到今天的潘建偉等人成為時(shí)代風(fēng)云人物的原因。

　　在歷史的巨浪中，他們看見了浪花中所蘊(yùn)含的方向和潮流，而后便緊緊追逐而去，他們知道，自己在當(dāng)下的選擇和堅(jiān)持不僅是自己未來的一部分，更重要的是，還會(huì)成為未來與歷史的濃墨重彩的一部分。

　　如果說量子計(jì)算時(shí)代已經(jīng)到來的話，我們不得不說，至今我們依然沒有一臺(tái)真正公認(rèn)的量子計(jì)算機(jī)問世；如果說量子計(jì)算時(shí)代還很遠(yuǎn)的話，我們又必須承認(rèn)，利用量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)生的成果正越來越多地應(yīng)用到我們的生活之中去。

　　這是量子計(jì)算的故事，也是歷史的故事。

　?。ū疚南礏T傳媒·《商業(yè)價(jià)值》雜志2016年10月刊封面文章，網(wǎng)絡(luò)獨(dú)家首發(fā)鈦媒體，記者/胡勇）