淺析量子計算機的運算原理與技術實現

量子，作為十大裝逼話題之一，吹牛時捎上幾句，效果棒棒的！不但咱民科喜歡吹，各國官科也好這口：俄羅斯量子中心測試了全球首個“量子區塊鏈”系統；中科大量子信息重點實驗室首次實現在固態系統中對三維量子糾纏態的量子存儲，俗稱“量子U盤”；美國羅切斯特大學研發出一種抗干擾的“量子雷達”；德國弗勞恩霍夫開發了微磁場下的“量子傳感器”；荷蘭將建全球首個“量子互聯網”；谷歌發布全球首個72量子比特通用“量子計算機”……懵了沒？

鑒于全球的過熱吹捧，咱潑點冷水，先重新認識一下量子力學這位幕后英雄。

百年量子

19世紀末物理學差不多就被技術榨干了，所幸20世紀初誕生了相對論和量子力學。相對論直到今天幾乎還是一塊未開墾的處女地，人類這一百年的技術進步主要靠消化量子力學，只是消化方式比較單一：量子力學>新材料>應用技術。

量子力學以“新材料”方式推動技術發展，比如半導體材料導致計算機誕生?，F在的材料學、化學、固體物理、核物理的理論基礎都是量子力學，可見其貢獻之大。

除此之外，量子理論很少(是很少)有直接應用，不然我們的生活就變得和修仙界差不多了，瞬移術、穿墻術、分身術滿天飛。

如果說，人類挖掘自然規律是一場戰爭的話，理論物理便是正面戰場。自20世紀中葉以來，人類奮戰半個世紀，竟無寸功！引用劍橋大學物理學家Neil Turok的話：“自1970年代后，所有的理論工作都還沒有產生一個成功的預言?！睋Q句話說，理論物理已經原地踏步快半個世紀了！前陣子的上帝粒子和引力波驗證的是上個世紀的理論。

于是，留給工程師的只有兩條路，其一，正面硬杠相對論；其二，開辟量子力學的第二戰場，即通過“非材料”的方式開發量子力學，也就是現在媒體們叫的“量子技術”。

顯然后者更靠譜些，畢竟量子力學多少還是有些成熟的直接應用，比如原子鐘、掃描隧道顯微鏡等。順便開個玩笑，如果原子鐘是今天發明的，按照現在的氛圍，名字一定叫“量子鐘”。

量子計算機、量子通信等技術的涌現，正是在量子力學領域開辟的第二戰場，但這并不代表人類在與自然爭斗的戰場上高歌猛進，相反，它可能是人類對現存理論物理的最后一點應用開發了。

冷水潑完了，下面該澆熱水了。

運算原理

傳統計算機的一次運算，究竟指啥？

回顧前文：傳統計算機的1和0是用電流(或電壓)實現的，有電流代表1，沒電流代表0。所謂運算，本質上是把一大串1和0，變成另一大串1和0，而這個轉變過程是由一堆PN結組成的電路完成的，也就是處理器。

我們平時說的32位處理器或64位處理器，指的是一次能處理的最大位數。比如32位處理器一次可以把一串32個1、0組成的指令變成另一串1、0，假如你有一串320個1、0組成的指令，那就得排著隊，一組一組進入處理器，一共得處理10次。所以這效率嘛，就有點勉強。當然，這是膚淺的理解，將就一下！

有個事情別搞混了，計算機一般用“浮點運算”表示性能，和上面說的運算含義不同，就像百米沖刺是看誰先到終點，而不是看誰步數邁得多。

雖然處理器動不動每秒多少多少億次，但實際上干不了多少活，因為一個很簡單的操作，就要處理成堆成堆的1、0。舉個粒子：

猜猜這是啥？這是放大了約50倍的手機屏幕(親手拍的，保管錯不了)，縮小一些：

看看，手機上的白色，就是三種顏色挨得近了而已！再縮小，就成了絢麗多彩的畫面：

現在我們輕輕劃一下屏幕，想象一下這些三色發光點得忙成啥樣？

這個蹩腳的例子，隱約說明了處理器的窘境，它就像一臺超大功率抽水機，但面對汪洋大海一般的數據，顯然有些力不從心。

于是，解決思路來了。

其一，能不能別用1和0這種笨辦法表示數據？從而把汪洋大海變成湖泊溪流，減少數據總量。這個……留給未來的數學天才吧！

其二，能不能別用電流電壓來實現1和0？這還真有，比如機械硬盤的1、0是用磁針方向實現的，不過調整磁針方向遠不如控制電流電壓方便，所以，從硬盤拷電影的時候，處理器還有空閑干其他活。

必須得找到更好的物理現象來實現1和0，使得處理器性能輕松飆升，一口氣把汪洋大海抽干了。

行文至此，主角登場。

量子計算原理

開山鼻祖得認識一下，量子力學的大神級人物，費曼。他老人家說，既然世界是量子的，那研究世界最終還得靠量子的方法，于是提出了量子計算機的概念！

量子通信是量子糾纏的直接應用，這茬前文已經說過了，而量子計算機則是量子疊加態的直接應用。何謂“疊加態”？

你以為我又要說“薛定諤的貓”了吧？偏不！咱換個比喻，疊加態這玩意兒和眼神有點像，一個眼神可以既包含愛，又包含恨；再細分一些，可以包含65%的愛和35%的恨；更重要的是，愛和恨互不干擾，也就是說，看到愛的人看不到恨，看到恨的人看不到愛。

比如，本僧一個眼神瞄過來，有人感受到愛，有人感受到恨，于是這倆人又分別一個眼神瞟給下一個，最后得到不同的計算結果。

若是換成傳統計算機，本僧得先和一人說我愛你，再和另一人說我恨你，得發兩次信息，于是效率就低了。

回到正經的說法，傳統計算機只能把數據一組一組塞到處理器里，而量子計算機可以把多組數據疊在一起，一次性塞進去。這是量子計算機最主要的優越性：并行計算。

為了表明本僧略懂量子力學，容我顯擺個公式，能看懂的盆友，若有機會來老和山，本僧親自為你化緣。

總的來說，用疊加態描述信息，1個量子態可以同時包含2個信息，2個量子態就是4個，3個量子態就是8個，以指數增長。這是非常驚人的，傳統的32位處理器一次只能塞32個信息，而10個量子態一次就可以塞1024個信息，如果增加到50個，性能就達到了當前最快的超級計算機，而100個量子態就達到了全世界計算能力總和的100萬倍。

回過頭說，為什么粒子有疊加態這么奇葩的屬性？答案只有兩個字：呵呵。

技術實現

原理有了，用什么技術去實現呢？這種疊加態信息怎么做運算呢？運算后又怎么輸出呢？如果沒有量子力學的功底，很難理解這個技術過程，大伙看個味道就散了，不要深究！

切記，不要自學量子力學，簡稱：不自量力。

光量子計算機

先以中科大潘建偉老師的光量子計算機為例，畢竟名氣最大嘛。如果非要分類的話，潘老師首先是量子通信專家，其次才是量子計算機專家，所以用光子比較順手，以光子的偏振方向代表1和0。

首先是單光子源，這家伙每次只產生一個光子，一個光子被特定晶體劈成兩半就可以成為相互糾纏的2個光子，多劈幾次就可以產生5個糾纏光子(可翻看前文《再話量子世界》)，然后分成5路進入光學量子網絡，接著在這個16×16 矩陣中，對光量子進行操作，最后用單光子探測器，探測量子計算結果。

光子被劈得越多，對整個系統的要求就越高，目前潘建偉團隊成功劈出了5個糾纏光子，運算性能首次超過人類第一臺計算機。

不過還是得強調一下，雖然咱光量子計算走在了世界前列，但現在說成量子計算機為時過早，甚至連CPU都算不上，只能說把量子計算這條路趟開了。

滿足一下好奇心，如此科幻的設備，該是長啥樣？

這感覺，是不是有點當年30噸重的第一臺計算機的味道了？有沒有可能把這堆東西也壓縮到指甲蓋那么大呢？

超導量子計算機

用光子做載體優點很明顯，缺點也很明顯，光子這玩意兒轉瞬即逝，沒法做更細膩的操作，普遍認為可延展性不強，能做到10個量子態就算大仙了。

超導量子系統相比于其他量子系統，有無可比擬的可操作性和可延展性，被認為更有可能實現大規模集成的量子芯片，這貨可以輕松做到幾百個量子比特。同樣的，優點明顯，缺點也明顯。

超導量子計算的核心單元是一種“超導體一絕緣體一超導體”三層結構的約瑟夫森結，電子有一定概率穿透中間的絕緣層，跳到另一層超導體上，但是這種電子的自由度很高，不那么聽話，所以錯誤率賊高。

還記得2017年5月3日刷屏的新聞吧？《首臺超越早期經典計算機的光量子計算機在中國誕生》，那次其實一口氣發布了2臺量子計算機，除了光量子計算機，還有一臺10量子比特的超導量子計算機(賣相不太好看，見下圖)。

把那天的事情再捋一捋：光量子計算機用5個糾纏光子，運算速度超過了人類第一臺計算機；超導量子計算機實現了10量子比特糾纏，打破之前谷歌的9量子比特紀錄。這是兩件事，也是兩撥人做的。

離子阱量子計算機

相比不聽話的電子，離子的個頭就大多了，控制起來相對容易，量子邏輯門也更容易實現，所以離子阱量子計算機是最早的量子計算機方案。

把原子外面的電子打飛就得到了離子，用低溫把離子關起來，用它的兩個能級代表1和0，測量能級有很成熟的技術，觀察光譜就行，而且只要激光一照離子就能當邏輯門使用，實現1和0的轉化，完成邏輯運算。

但是呢，幾個離子還關的住，數量一多也就放羊了，而且激光操作的效率實在有些感人，問題也是一堆。這套路主要是奧地利因斯布魯克大學和美國科羅拉多大學在玩。

因斯布魯克大學的離子阱

其他

微觀領域的量子效應一抓一大把，所以實現途徑還有：液相或固態核磁共振、中性原子、光學(波導)、腔量子電動力學、半導體量子點，等等，玩家多集中在歐美中。

爭議

雖然媒體上一片祥和，但業內的爭議從沒停過，悲觀者認為現在是群魔亂舞、嘩眾取寵，而樂觀者認為翻天覆地只在旦夕間，馬上可以攜手走入新時代。那么，爭論的焦點是啥呢？

李逵和李鬼

下面這個知識點，你要整明白了，說你是外行都沒人信。

傳統計算機靠邏輯門完成運算，同樣的，量子計算機的運算也需要邏輯門。復雜點說，就是通過幺正變換來實現量子比特從一個狀態變換到另一個狀態。更復雜點說，量子邏輯門，就是量子力學中的幺正算符，幺正算符作用到量子態上，使量子態按照要求進行演化。

這么玄幻的東西，長啥樣？非常抱歉，大伙都在懵逼中……簡單點說，現在所謂的量子計算機，幾乎都是沒有邏輯編碼的。更簡單點說，量子計算機暫時還沒辦法把1變成0、把0變成1。更不客氣的說，現在的量子計算機不具備真正意義上的運算能力。

那我們還起個什么勁??？

別急，還有救。

2013年美帝兩位計算機科學家S. Aaronson 和A. Arkhipov提出了“波色取樣”，通過對經過線性器件處理的玻色子概率分布進行抽樣，可以很快求出矩陣常值。啥意思呢？

借個圖說明一下，無數的量子比特經過特定的矩陣之后，分布是有一定規律的(如上圖)，把這些數據統計出來就可以算出矩陣常值。

反正這是一個純數學問題，說多了我也暈。咱只要知道，這對人工智能極有用處，比如圖像搜索、機器學習等。

從學術上說，這并不是一臺真正的計算機，于是，科學家們取了個新名字“專用量子計算機”，俗稱量子模擬機。

與之對應的就是“通用量子計算機”，這貨有量子邏輯門，能把1變0，是真正意義上的量子計算機。

可惜的是，前者商業化速度快趕上摩爾定律了，后者卻仍在龜速挪動中。

漫天飛舞的量子計算機

既然閹割版的量子計算機在人工智能方面展現出了誘人前景，那商業巨頭們還不得像鯊魚聞到血腥味。于是，資本一到，量子滿天飛。

最早登場的是加拿大D波公司，2011年洛克希德馬丁以1000萬美元買了D波公司的第一臺128量子比特的商業化專用量子計算機D-Wave One，2013年5月Google又以1500萬美元買了第二代512量子比特的D-Wave Two，現在D波公司已經推出了2000量子比特的計算機。你沒看錯，是2000個量子比特，不過，實測情況很尷尬……這擦邊球水平快趕上中國乒乓球隊了。

2015年谷歌聯合其他單位實現了9量子比特；2017年5月咱發布了10量子比特的超導量子計算機；同月，IBM推出了16量子比特；10月，英特爾出了17量子比特；11月IBM直接飆到了50量子比特；2018年1月英特爾跟上了49量子比特……這節奏太緊張，看看圖放松一下：

依次是英特爾的“7-Qubit、17-Qubit、49-Qubit”量子芯片原型。

這罐子里的就是IBM的量子計算機，因為是超導材料，需要極低溫環境。IBM的量子計算機可供大眾網絡訪問，不過大伙不用去湊熱鬧了，使用體驗和傳統計算機毫無差別。打開罐子是這個樣子：

高清大圖：

詳細結構圖：

有沒有覺得，超導量子計算機的造型比光量子計算機科幻很多？這是最新的升級版：

這種地盤，谷歌必然不會缺席，2018年3月號稱要推出72位的通用量子計算機，看仔細，是“通用”量子計算機！谷歌欲一舉定乾坤，實現“量子霸權”(這是個術語，意思是你們可以歇菜了，我的計算機足夠全世界一起用)，后來谷歌可能覺得牛皮吹破了，又出來不痛不癢謙虛了一番。

谷歌取名字還是很有一手的，用地球上最古老的樹木Bristlecone狐尾松，來命名他們的72量子比特量子計算機。

還有更玄乎的，2015年加州大學圣芭芭拉分校首次發現，人腦認知可能是一種量子效應，于是要把大腦量子計算機化。呃，原來咱們人人都頂著一臺量子計算機??！

總的來說，專用量子計算機(不是通用量子計算機)在美帝融資算是順利的，谷歌、IBM、英特爾領跑，后面還有亞馬遜、高盛、黑莓、微軟、惠普，甚至還有CIA的資金。

國內就冷清多了，除了國家投錢，貌似只有“阿里巴巴量子計算聯合實驗室”，2018年2月上線了11量子比特超導量子計算服務的云平臺。

后記

看過紅紅火火的專用量子計算機，再看舉步維艱的通用量子計算機，兩者境遇令人唏噓！能真正改變世界的通用量子計算機，前程堪比“聚變發電”，說多了都是淚。

2018年2月有則默默的小新聞：郭光燦院士團隊在半導體量子芯片研制方面再獲新進展，在國際上首次實現了半導體體系中的3量子比特邏輯門操控，為未來研制集成化半導體量子芯片邁出堅實一步。

仔細看這段新聞及最后一句評價，能看出名堂嗎？圈個重點：邏輯門操控。

但凡關心量子技術的，幾乎無人不識潘建偉，卻鮮有人知郭光燦。潘建偉是媒體封的“中國量子之父”，郭光燦是官方認證的“中國量子之父”，中國量子技術的開創者和奠基人，妥妥的中國第一人。實際上，潘建偉正是郭光燦從奧地利挖回來的。

郭光燦在理論方面的貢獻也非常豐碩，他提出的“利用光腔制備兩原子糾纏的方案”，被法國科學家沙吉·哈羅徹實驗證實，后者因此獲諾貝爾物理學獎。在中國最有可能得諾貝爾物理學獎的名單上，郭光燦是熱門人選。有興趣的同學可以看看這篇專訪《量子信息奠基人郭光燦：別人造星，我造“科技界富二代”》。