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量子计算 量子这个词大家越来越不陌生了，因为网络、电视、报纸等各种媒体经常见，似乎什么东西一加上“量子”，就立即变得高大上起来。但是，量子到底是怎么一回事，估计谁也说不清楚。其中的核心理论，别说是读者您不清楚，其实我也不清楚，科学家们也大多不太清楚。参加过美国秘密研制原子弹“曼哈顿”计划的诺贝尔物理学奖获得者费曼曾经这么说：“如果你认为自己明白了量子理论，你就没有明白量子理论”。事实上，大物理学家爱因斯坦、量子力学最最核心公式“薜定谔波动方程”的发明者大物理学家薜定谔，量子力学最主流的“哥本哈根”学派带头人大物理学家波尔，生前就曾为此论战不休。看到这里，也许读者您会说：我刚起床，只是打酱油路过看一眼，你却和我们说这个 。 。 。 道友，请留步 ！ ！ ！本堂主这里虽然没有拯救世界的如来神掌送给您，但却可以谈谈量子技术的具体应用，这可真正是未来有可能拯救世界的高技术，人类的几大希望之光之一了，特别是当前灯塔国投入巨大国力的重点攻关方向。而且，话说回来，多少了解一些，以后也不容易被别人打着“量子XX”的旗号忽悠不是 ？ 哈哈。（一）打开未来时代之门的金钥匙“量子计算”（1）过去的三个时代除去史前文明不计，我们人类过去的历史可以分为三个时代，分别是：农业时代、工业时代、信息时代。这三个时代的核心特征大家一望即知，就不须在此赘述了。自从上个世纪40年代第一台电子计算机被发明以来，经过近40年漫长时间的积淀和酝酿，到了1981年，IBM公司发明了PC机，当时还是一家小作坊的微软公司为其配备了DOS操作系统。从此，信息时代围绕“信息处理”为核心的技术发展一发不可收拾，加速前行，给人类的生产能力和生活带来翻天覆地的变化，使人类加速进入了信息时代。本公众号之前撰写的“时乘六龙以御天”第一篇中，就曾经提到过我们在改革开放之初所面临的国内国际形势，第一代领导人率领全国人民呕心沥血刚刚补上了工业时代的一课，结果信息时代又加速到来了，因此和西方一线国家的差距被再次加速拉开。信息时代的发展规律通常可由所谓的三大定律大致描述。（1）摩尔定律当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这就是说，我们花同样的小钱钱，所能买到的电脑的CPU性能，将每隔18-24个月翻一倍左右。（2）吉尔德定律互联网络主干的带宽每6个月增长一倍，其增长速度是摩尔定律所预测的 CPU 增长速度的3倍。（3）梅特卡夫定律网络的价值随着用户数量的平方数增加而增加。这下大家明白为什么在B A T （ 度娘、阿里和企鹅）中，T （ 企鹅公司 ） 现在后来居上了吧，也明白为什么微信能够击败这么多其他竞争对手了吧（这些对手里面还包括企鹅公司自己的 Q Q ） 。上面这三大定律其实在一起共同揭示了信息技术进步的速度。（2）未来是什么时代？但是，时至今日，信息时代的技术发展已到瓶颈，标志性的三大定律摩尔定律、吉尔德定律和梅特卡夫定律都已经不再完全生效，或者说已经失效。以摩尔定律为例，目前投入市场的最新CPU是14纳米工艺，甚至个位数纳米级别的芯片也已经研制成功。但根据量子力学原理，传统半导体集成电路成熟工业应用的极限是5纳米左右，小于这个尺度，量子效应将干扰电子器件的正常运行。这就意味着集成电路的集成度并非可以无限提升，现在就几乎已经到头了。所以信息时代的核心技术看似已经发展到了极限，近十年来，人类在相关领域再也没有突破性的进展，只能搞搞应用和概念方面的创新。因此现在好多所谓的创新全是 “ 用PPT造计算机 ” 。 。 。 如果您正持有这些创新企业的股票什么的，那可真千万要小心了，差不多见好就先抛点吧 。 。 。那么未来的下一个能与“农业”、“工业”、“信息”地位同等相提并论的是什么时代？目前看来，只能是量子时代！（3）量子时代的核心技术量子时代最最最核心技术是什么？如果只能给一个答案的话，这其实和信息时代很类似，还是位于大脑地位的“计算”，而不是位于感知通信等附属地位的“眼睛、嘴巴和耳朵”。因此，打开未来时代大门最关键的钥匙就很明显了，它就是： “ 量子计算 ”。而绝非我们在媒体上看到更多宣传的“量子通信”，更不是什么索罗斯的“量子基金”。当然，量子通信也是量子时代里非常重要的技术，但真的不是那个最最核心的技术 。 。 所以大家可以看到，华为公司可以在前不久制定第5代 （5G ）移动通信技术标准时打破美国垄断，和高通公司平分秋色、平起平坐；“太湖之光”和“天河”也可以夺取并占据高性能计算top500第一第二位置很长时间，但我们国家在通用CPU方面，始终离不开西方的Intel和Arm公司，差距还很大。这也从侧面证明了“计算”是核心、“计算芯片”是核心。（4）量子计算的威力量子计算的威力到底有多大呢？通俗地做个对比吧，目前全世界最先进的加密算法，如果在量子计算机上进行解密的话，可以把时间由目前“天河”或“太湖之光”所需的以数十万年为单位的时间，缩短到只需几秒钟。至于为什么会有这么大的威力呢？包括从前爱因斯坦在内的全世界所有大牛物理家们，至今还没研究出来，这就是开篇所说的：“如果你认为自己明白了量子理论，你就没有明白量子理论”。于是，像玻尔这样的著名物理学家，曾经说出类似于“我们先只管应用就行，就不要深究原理了”之类的话，从而遭到爱因斯坦的痛批，玻尔赶紧专门出来解释他话的原意并非那个意思。先抛开什么神仙上帝之类的非科学理论不谈，如果一定要在“生和死的状态叠加”、“多径历史求和”、“意识决定存在”、“概率波的坍缩”、“所有物质量子场的弥散和叠加”等这些五花八门的量子物理科学理论研究猜想中，给出一个不让大家死掉大量脑细胞的解释的话，笔者个人倾向于用“平行世界理论”来试图描述一下，虽然这个理论也是不能往下深究的，那脑洞大的会把整个人掉进去。大家可以认为时间向未来发展时会出现无数可能的分支，比如今天早上我们起床后，是在家吃早点，还是出门在地铁门口的早点摊位上买一点呢？对我们绝大多数人来说，这种选择根本不会在意。但是，也许我们做出的不同选择，会得到迥然不同的结果和未来。比如也许在家里吃早点的时间，会耽误坐上地铁，或者晚这10分钟就会开车堵在路上，或者开始下雪，总之，这一耽误可能就影响到一整天的工作。也有可能就是因为在家里吃早点晚出门10分钟，从而躲开了地铁门口的一场意外事故，单身者或者恰好能够邂逅到一个互相心仪的另一半，晚到单位15分钟，或许正赶上领导安排完其他人难缠的工作，却恰好给我们留下一项带薪出国调研的美差。现实生活中，我们只能做出一种选择，得到一种结果，过去发生的事情永远再也无法改变。不过，按照“平行世界理论”，我们每一种选择所得到的不同结果其实都发生了，都发生了，都发生了 。 。 。只不过产生了无数个 “ 平行世界 ”，所谓平行，就是永远不会相交。在这每一个平行世界里，都有一个 “ 我 ” 在上班路上，也许某个 “ 我 ” 好运连连，某个 “ 我 ” 运气欠佳，大多数的 “ 我 ” 也可能只是平平淡淡过了一天。但这些世界都在独立地向前发展着，所以自从出生以来我们做出过多少不同选择，就产生过多少平行世界；全世界有这么多人，那平行世界应该有多少是数也数不清了。量子计算之所以有这么大的威力，就相当于通过神秘的量子效应，唤起了无数个其中存在这台计算机的未来平行世界中的无数“分身”，共同进行了这一次计算，所以，数十万年量级的计算时间，被压缩到几秒钟内瞬时完成也就不稀奇了 。 。 再次申明一下：这不是玄幻，是科学家们很认真地提出的一种理论解释猜想。看到这里，脑筋特别灵活的读者肯定会有疑问，前面不是说 “ 平行 ” 世界，永不相交吗？这那么多 “ 分身 ” 是怎么相互沟连的呢？这个，就是五花八门量子物理理论解释的坑爹之处，都经不起聪明的您这么追问啊。不过上面这个问题，有的科学家给出的解释是：平行世界之间在宏观上是无法相交的，或者说可以想象这多个世界之间的联系包括了无数隧道，但这些隧道只能允许无质量的微观粒子交换信息，而不能交换物质和能量，而量子计算过程中只需要交换信息云云。（二）美国人的战略投入美国对未来技术的押宝主要是在量子计算方面，这与他们目前掌握着信息时代最核心的计算技术是分不开的。从1995年由美国国家支持的研究者们首次验证了量子逻辑门的可实现性开始，美国投入了大量的国家资源进行研究。目前，已经在量子计算领域内完成了全面的战略布局。从量子信息科学的学科建设与人才梯队培养，到量子物理和量子计算的理论研究，再到应用层面的量子计算软硬件研究等等。美国目前在上述各个方面已经奠定了厚实的基础，逼近了技术突破的前夜。可以设想，一旦特朗普真正做出战略收缩，集中国家力量真正做出量子计算方面的率先产品的话，“美国再领导世界100年”那可就真的不是在做梦了。在这个领域内，美国主要从事研究的公司是IBM、微软和谷歌。IBM已经开发出由5个超导量子比特组成的量子处理器，并从2016年5月作为“云”端开始向大众开放接触。谷歌已经通过收购D-Wave公司，推出“首台量子计算机”。当然，谷歌的这个还不是通用计算机，只是一种基于蒙特卡洛算法的量子退火仿真计算机，对这几个术语大家可以无视。只需要知道谷歌的这条道路的用处在于专业领域内的科学计算，永远不可能生产出类似于PC这样的通用量子计算机就可以了。从2005年就开始秘密研发量子计算技术的微软，终于也在前两天宣布：目前，微软已经能够设计出基本量子比特构件单元，做好了开发出一台完整量子计算机的准备。解读一下：在通用量子计算、专用量子计算、量子计算机、量子计算软件等各个方面，上述3家公司全面展开互相竞争与合作，体现了美国这已经光芒暗淡灯塔国在努力地面向未来战略布局。所以说，“纸老虎”也是要咬人的，看多了正能量的网友读者亲们，可不要过于乐观觉得我们已经超过美国了。事实上，我们现在离美国的差距还是多方位和很明显的，虽然不妄自菲薄，要对未来充满信心，但也绝不能妄自尊大。笔者个人也反复申明我的预测：2029年，新中国建国80周年之际，中国大概能够追平美国，大家基本能够平起平坐；2049年，新中国建国100周年之际，中国才能够超越美国，成为真正的世界第一。不过，这一切还要有赖于未来30多年全国人民的努力拼搏。（三）中国人的努力事实上，中国在量子科学领域内还远远没有形成全面的战略布局，目前仅在量子通信等个别领域内取得了明显的进展。在量子计算领域内，最主要的问题是没有像美国那样从理论、学科、人才培养、应用技术、工程化技术等成体系地研究，投入也远远不够。与量子通信的潘建伟团队类似，目前国内对量子计算的主要研究团队还是集中在中国科技大学（唐大所在的城市啊，我们安徽人的省会哦），公开的报道和进展是：中科大杜江峰团队于2016年，在国际上首次把单比特（1逻辑比特）量子逻辑门的纠错精度提高到了9 9 . 9 9 % 。大家不要觉得这已经很高了，其实路还比较长，以现代计算机和通信技术中常用的CRC-16（我们PC机上对硬盘的读写过程中就使用了CRC-16）为例，其检错精度是能够100%检查出16比特以内的突发错误，对17比特和17比特以上的突发错误检错能力，分别达到 99.9 97 % 和99. 9 9 8 % 。而实用的量子计算机，其逻辑比特数至少应在30个逻辑比特以上。2016年3月，中国科技大学郭光灿院士等人率领的团队，研制出3个量子比特的半导体量子逻辑芯片。再向前不久的2015年，以量子通信闻名遐尔的中科大潘建伟院士牵头，由阿里云和中国科学院（不是中科大）联合成立了量子计算技术方面的联合实验室，这是偏软件和算法层面的研究。看出中国的差距在哪了吗？一缺国家战略层面的政策扶持和倾斜；二是人才体系单一，过于集中在中科大一家，未形成全面学科和培养体系；三是缺乏大企业的投资和工程化条件，主要集中在实验室内的较小规模团队。幸好，我们已经及时认识到了这个问题，在国务院2016年7月发布的“十三五”国家科技创新规划里，提出要面向2030年，力争在航空发动机及燃气轮机、深海空间站、量子通信与量子计算、脑科学与类脑研