世界首台量子模拟机诞生！你可以这样和人谈量子知识

怎么判断一个东西真的真的很厉害？就是听起来像是假的。

“重磅！中国量子计算机诞生，创世界纪录”

“中国量子计算机诞生 量子计算水平创世界纪录”

“世界首台!我国量子计算机超越早期经典计算机”

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一开始看到这样的标题时，我以为，也许是媒体搞了一个大新闻。可后来发现，中科院开新闻发布会了，宣布世界上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机诞生。呃，看来真是件大事。

据悉，这台光量子计算机由中国科技大学、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中国科学院院物理所等单位协同完成研发，是货真价实的“中国造”。

据中科院院士潘建伟介绍，中国2016年就首次实现了10光量子纠缠操纵，随后在此基础上利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机，速度比之前国际同行所有类似实验快了至少2.4万倍。

对比经典算法，这台光量子计算原型机比人类首台电子管计算机(ENIAC)和首台晶体管计算机(TRADIC)运行速度提高10倍-100倍。这也是世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。

不过新闻稍有些标题党，诸君莫要捧杀。潘建伟说，“这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。”也就是说，潘建伟说发布的是量子“模拟机”，并没有说是量子计算机。当然这个工作的意义还是很大的，潘建伟认为这实现了量子计算的第一步，是很重要的一步。

量子是什么？

量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小单元，不存在“半个光子”，同理，也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等。量子世界中有两个基本原理：

量子叠加，就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。（ 一只猫被装在箱子里，毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。而原子核的衰变是随机事件，我们无法知道具体在什么时候衰变；在半衰期内，衰变与否的概率同时存在。也就是说，如果我们不打开箱子看，猫即可能是活的也可能是死的，处于一种生与死的叠加状态，这将微观不确定性推演到了宏观不确定性。）

量子纠缠，类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。（郭光灿院士曾经打过一个比方比喻量子纠缠，说在美国的女儿生下孩子那一瞬间，远在中国的母亲就变成了姥姥，即便她自己还不知道。之所以她是姥姥别人不是，而且她一定会成为姥姥，就是因为她和女儿之间有一种“纠缠”关系。）

生活中之所以感觉不到量子，是因为宏观上量都比较大，就好比你有很多钱，就不在乎一分钱了，但是你的钱的确只能是一分钱的整数倍。到了微观领域，就不得不考虑量子效应了。

量子计算机有多牛？

想象一下，你被要求5分钟内在图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”，这几乎不可能，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。

普通计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题。这种超快速度可能彻底改变所有行业。

量子计算机能做什么用？

美国主流网络媒体BI评选出量子计算机最令人激动的7大应用，它们或以这些方式改变世界：

1、提供更为精准的天气预报

量子计算机初创企业QxBranch的董事会成员雷伊·约翰逊（Ray Johnson）表示，即使用最尖端的仪器分析温度和压力时，也会出现太多可能性，气象模拟变化多端，而当前的天气预报多数也都属于经过分析的大致猜测。但量子计算机可以一次分析所有数据，向我们提供更好的模型，精准地显示恶劣天气会在何时何地出现。我们可以提前得知飓风等灾难来袭，并有额外时间拯救更多生命。

谷歌工程主管哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)同时指出，量子计算机可以帮助建立更好的气象模型，这可以让我们更深入地了解人类如何影响环境，并帮助我们确定现在能够采取哪些措施，以便能预防灾难发生。了解更多有关气候如何变化的趋势，从长期来看将对我们有很大帮助。

2、药物发现过程更高效

开发一种新药是非常复杂的过程。化学家们需要进行无数不同分子组合方式试验，以找到可真正有效治愈疾病的药物特性。这一过程可能需要数年时间，耗费数百万美元资金。但化学家们将这些组合进行后期实验时，依然会有很多组合失败。

而量子计算机可以绘制出数以万亿计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合，这将大大节省研发成本和药物研发时间。与我们当前所用方式相比，量子计算机为人类基因分析排序的速度也更快，这将帮助研发个性化药物和医疗保健方式。

比如，现在很多药物无法投入市场，因为一部分人对其反应特别严重。为此，我们通常会选择放弃这种药物，尽管其可能对许多人有很大帮助。随着个性化基因分析的出现和了解更多药物原理，我们将可以预测出这些不良反应。

3、再也没有交通拥堵噩梦

量子计算机可以简化空中和地面交通控制的工作量，因为它们善于迅速计算出最佳路线。如果你计划公路旅行，期间要在10个不同的地方停留，普通计算机可能需要单独计算所有可能路线的长度，然后筛选出最佳路线。而量子计算机可以同时计算所有路线的长度，并以更快的速度筛选出最佳路线。

使用量子计算机对空中交通模式进行复杂分析，意味着可进行更高效的飞行调度，并节省出行所需时间，因为我们可以更好地避免机场飞机起飞和着陆造成的瓶颈。同样的技术也可被应用到高速公路和复杂城市电公路网中，以避免拥堵。

4、可加强军事和国防

约翰逊说，卫星不断收集大量照片和视频资料。任何人都不可能搜遍和分析如此多的数据，因此很多数据只是被扔在一边。在某些被丢弃的数据中，我们可能错过关键情报。

但量子计算机却可以比普通电脑或人类快得多的速度筛选大量数据，并向我们提供哪些照片或视频应该做进一步分析，哪些可以忽略和丢掉。普通计算机也不太擅长“瓦尔多在哪儿？”此类识别任务，但像人一样，量子计算机却非常善于从混乱的背景中找出具体细节。

5、安全的加密通信

无论我们自己是否意识到，我们实际上一直都在使用加密技术。当我们查看电子邮件或使用信用卡网上购物时，我们都非常依赖加密技术。通过使用与量子计算机类似的怪异量子力学特性，加密技术将变得更加安全。

这种超级安全通信被称为“量子密匙分配”，它允许某人发送信息给其他人，而只有使用量子密匙解密后才能阅读信息。如果第三方拦截到密匙，鉴于量子力学的怪异魔力，信息会变得毫无用处，也没人能够再读取它。这种通信技术的初级版本已经在欧洲一些地方开始使用，但依然无法在美国大规模使用。

但是量子计算机的同样原理可令通信变得更加安全，量子计算机可令破解我们当前使用的加密信息更为容易。爱德华·斯诺登（Edward Snowden）曝光的NSA绝密文件中称，NSA也有开发量子计算机的计划。如果黑客获得量子计算机，银行和政府等老式加密数据可能陷入严重危险中。

6、加速太空探索

利用开普勒太空望远镜，天文学家已经在太阳系外发现近2000颗系外行星。开普勒的任务还包括盯紧这些行星，等待它们从宿主恒星前面通过。届时，这些系外行星会投下阴影，天文学家可分析和预测这些行星上的大气状况，以及它们是否适合生命生存。

量子计算机可应付太空望远镜获得的更多数据，并发现更多系外行星，帮助迅速确认哪些行星最有可能适合生命生存。量子计算机甚至能够发现开普勒望远镜错过的系外行星。

7、机器学习和自动化

这听起来似乎令人觉得毛骨悚然，但像人类一样，量子计算机可从经验中汲取教训。它们可自我纠错，比如，量子计算机实际上可以修改出现乱码的程序代码。这一概念被称为机器学习，与Facebook新闻流会根据你的“点赞”而进行相应变化类似，只是更为复杂。

量子计算机的机器学习可帮助我们更快、更高效地做很多事情，量子计算机功能的持续改善可能促使半自动车辆和其他先进人工智能诞生。所有这些应用都令人激动不已，但要实现这些目标，我们依然有很长的路要走。很多公司和机构都在研发量子计算机，包括谷歌和美国宇航局等。当这些大公司和机构参与到类似前沿技术中时，我们通常不会等太久就会看到重大突破。

技术我们实在看不懂，所以只能是外行看看热闹吧。幼时科幻小说中的量子计算机，居然成真了，虽然离民用还有相当长的距离。在我们大多数人埋头搬砖的同时，还有一小撮人在仰望星空，大多数人都意识不到现代社会的发展速度之快，是深层次的改写，而非简单的线性叠加，也许该好好考虑一下学习规划了？

附量子应用大事记：

1982年

诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出“量子计算机”的概念。

1994年

贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子计算机能够完成对数运算，且速度远胜传统计算机。

1997年

科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。

2005年

世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，基本符合量子力学的全部本质特性。

2007年2月

加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。

2007年

维也纳大学的安东·齐林格和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛的两个岛之间传输了一份量子信息，传送距离超过了143千米。

2010年1月

美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。

2010年3月

德国于利希研究中心发表公报，该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。

2010年

中国科大—清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输，传输距离达16公里。

2012年3月

IBM做到了在减少基本运算误差的同时，保持量子比特的量子机械特性完整性。

2015年7月

中国科学院与阿里巴巴集团旗下阿里云共同成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”，开展在量子信息科学领域的前瞻性研究。

2016年8月

我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功升空。

2017年3月

马云宣布启动阿里巴巴的“NASA计划”，并说“现在所研究的目标是为了解决10年、20年后的困难。

2017年5月

中国科学技术大学潘建伟院士宣布，世界上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机诞生。