“首臺量子計算機”貨真價實還是言過其實？

一不小心就見證了歷史：不是馬克龍當選總統，而是科學巨人——第一臺超越早期典計算機的量子計算機誕生。

量子計算領域的ENIAC

5月3日，中國科學院在上海召開新聞發布會，公開了兩個量子計算機原型，一種是基于線性光學，一種是基于低溫超導系統。由中國科技大學、中國科學院-阿里巴巴量子計算機實驗室、浙江大學、中國科學院物理所等單位協同完成研發，純正的中國血統，國內科學界為之沸騰。同往常一樣，這樣的新聞出來也少不了各方質疑，不論是貨真價實還是言過其實，我們力求通過更多的信息來達成更深的認識，盡量客觀地看待這項成果。

霍金認為，下一次革命是計算機科學發展驅動的，包括人工智能和量子計算。人們對于人工智能已經開始漸漸熟悉，但是對量子計算卻知之甚少，我們這樣的小白面對一大堆物理學專業術語，很難理解這是個什么東西。但是每個人小時候的第一節電腦課上，也許大多數老師都講過計算機的歷史：1946年，美國賓夕法尼亞大學莫爾電氣工程學院制造出世界上第一臺電子管計算機“ENIAC”，開辟了一個計算機科學技術的新紀元，有人稱其為人類第三次產業革命開始的標志。而對于此次的成果，《自然光子學》的審稿人給出的評價是：“中國科學家研制出的這臺量子計算機，可以說是量子計算機領域的ENIAC。”給我們展示了該成果的意義。

什么是量子計算機

究竟“量子計算”是什么?有人給出了一個形象的比喻，也就是“自行車與飛機”——如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。中國科技大學潘建偉院士對此進行了具體的說明，量子是構成物質的基本單元，不可分割，而且具有疊加的特性。

量子計算機則是利用量子相干疊加的原理，可以實現超快的并行計算和模擬能力的計算機。通俗說來，經典計算機二進制算法是“非0即1”，就像一個人只有一雙手，一個時間段只能做一件事，而是量子計算機則是“同時存在”，相當于一個擁有2的N次方雙手的千手觀音，可以同時做2的N次方雙手可以做的事情，隨著N不斷變大，計算能力呈現指數級增長。

歸結起來，量子計算機的作用就是能夠超越經典計算能力，實現量子計算。

中國造的“第一臺”

此次公開的兩個計算機模型中，基于線性光學的光量子計算機，是研究團隊在2016年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上構建出的(注：量子糾纏——處于糾纏狀態的兩個粒子有一個奇妙的特性，一旦對其中一個粒子進行測量，并且確定了它的狀態，那么就能立即知道另一個粒子所處的狀態，即使相距遙遠，一個粒子的行為也會影響另一個的狀態，當量子系統的狀態發生變化時，糾纏態的粒子狀態都可以發生變化)。在光子體系，潘建偉院士的團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子、十光子糾纏，這一點已經處于世界領先狀態。

在這樣的基礎上團隊構建出光量子計算原型機，“玻色取樣”的速度比業界快了2.4萬倍，與人類首臺電子管計算機ENIAC和首臺晶體管計算機TRAADIC相比，運行速度提高了10到100萬倍。這臺光量子原型計算機是針對玻色取樣任務的。(注：玻色取樣——由于該任務計算量非常大，因此科學家們將其堪稱是測試計算能力的一個“競賽項目”。)

另一個基于低溫超導的原型機則是用來做線性方程求解的，可以實現10個超導量子比特糾纏，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現了9個量子比特高精度操縱，而潘建偉團隊的10個超導量子比特糾纏是目前世界上最大的數目，首次登上兩位數。

關于量子計算機的研究，可以追溯到1920年量子力學的誕生。多年之后，2007年加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機，但并不能用來解決通用問題，只能專門用來處理一些優化問題。2009年世界首臺可編程的通用量子計算機在美國誕生，后來德國于利希研究中心、IBM等也相繼在量子計算機的研究方面取得突破。5月3日中科院和阿里巴巴共同發布的兩款原型也并非通用機，僅僅能夠做玻色取樣和線性方程求解。

量子計算機的第一梯隊

對于量子計算機的研究僅僅處于初級階段，目前不同企業、機構的研究也都在探索不同的方向，例如潘建偉團隊的光子量子計算、超冷原子量子計算和超導量子計算、微軟的拓撲量子計算、英特爾的硅量子點技術等等多個方向。而利用超導量子計算的還有兩強——谷歌和IBM。IBM于2016年研制出5個量子比特的量子計算機，而上文提到的谷歌更快一步，在2015年就實現了9量子比特操縱，中國潘建偉團隊僅僅領先了一個量子比特，但是在爭奪未來量子霸權方面毫不輸陣。

今年3月份，IBM量子計算的CTO兼副總裁斯科特·克勞德表示，IBM的量子計算機將開始向商用項目轉變，推出全球首個通用量子計算云服務IBMQ，針對科研和商業領域為用戶提供付費的量子資訊和服務。IBM將技術落地實現商業化的模式通常是開放給用戶，然后通過用戶來促進技術的發展，和人工智能Watson如出一轍，這種做法也為技術落地和普及起到了重要的作用。他們計劃未來推出50量子位的量子計算機，但是目前IBM的進程還無從得知。

另一巨頭谷歌在4月下旬宣布，要在年底打造出49個量子比特的操控，而且谷歌認為，小型量子計算機會在五年內興起。

潘建偉的團隊目前正致力于20個超導量子比特樣品的設計、制備和測試，計劃今年年底前發布量子云計算平臺。在這樣的宏圖背后，是阿里的布局。2015年7月阿里就與中科院聯手成立實驗室，共同研究量子計算機。10月份，阿里云和中科院旗下的國盾量子聯合發布了量子加密通信產品，在阿里云網絡環境建立了多個量子安全傳輸域，這一做法給量子計算機和量子云計算平臺的落地早早鋪好了路。

一個是量子比特操控的進展，一個是量子云計算平臺和量子安全傳輸體系的構建，現在誰能搶占市場還很難說，但可以肯定的是，中國在量子計算機領域的布局并沒有落后。

商業價值及未來應用

Gartner預測，到2017年全球公有云服務市場將增至2468億美元，相比2016年增幅高達18%。也有行業專家表示，到2021年，全球云計算服務市場規模有望達到3910億美元。云服務是量子計算機商業化的關鍵，最初的用戶非常容易構建生態，形成技術壁壘，占據行業制高點，但是對于投資者來說，受限于技術的發展和商業模式的探索，可能短期內很難看到收益。

如此強大的計算能力對于某些數字和變量密集的行業具有直接的意義，例如醫療健康、金融服務、倉儲物流、安全防護等等，這些高度數字化的領域將率先嘗到量子計算的甜頭。通過云平臺延伸到個人用戶手中的智能設備，工作、娛樂、生活場景中都蘊含著巨大的商業價值。另外，對于科研、教育事業也具有極大的意義，隨著計算能力的提升，目前虛擬現實、增強現實、人工智能等技術領域存在的壁壘也將被溶解。

潘建偉團隊此次推出的成果雖然不是通用機，但是突破10個量子比特的成果，其技術意義也是不可小覷的。依托阿里，在互聯網巨頭的布局把控中，擠入量子計算機研究的第一梯隊，也許實現技術轉化不需要太久。