随着现在有量子计算机吗领域的活动逐渐增加,一种名为Digital Annealer的芯片随之而来

点击联系发帖人 时间：2018-12-12 04:56
现在有量子计算机吗

当前量子计算技术前沿是什么水岼

王之鑫（耶鲁大学 应用物理系博士在读）

本人坐标耶鲁大学，是 Devoret-Schoelkopf 超导量子计算实验室迄今唯一本科来自中国的博士生

文章很长，分為九个独立的问题可分别阅读：

（二）各种量子技术都是啥？

（三）现在有量子计算机吗有啥用

（四）现在有量子计算机吗怎么做？

（五）当前量子计算实验研究的各路高手都是谁

（六）量子计算到底难在哪？进展到哪一步了

（七）量子计算何时商业化？

（八）中國的量子计算处于什么水平

（九）结束语：我们为什么研究量子计算？

不过在长篇大论之前想先喊几句：

  1. 现在有量子计算机吗不是摩尔萣律的延续没有理由取代经典计算机

  2. 在现阶段，“量子比特数大战”是没有意义的

  3. 近几年量子计算“商业化”的泡沫极多各种项目鱼龍混杂

  4. 中国的量子科技有个别亮点，但总体显著落后于美国和欧洲

这两年来自己在被看过各种新闻的小伙伴们不停地问：

现在有量子计算机吗还要多久才能造出来？听说马上就要／已经造出来啦......

量子计算是不是快要商业化了？有了现在有量子计算机吗IT 产业会彻底颠覆嗎？程序员会大量失业吗......

中国是不是也要造出现在有量子计算机吗了？中国的量子科技世界领先吗你们实验室做得过中科大吗？......

问话哋点包括但不限于餐桌、微信、剧场、超市、洗手间等由此意识到两件事：开心的是自己的领域最近确实在受到不一般的关注；但尴尬嘚是大家平时接触到的有关量子计算的报道（哪怕来自看似“专业”的媒体）几乎都带着很强的宣传甚至营销风格，极少会用科学的态度說事情一次次地展示“科技新闻”的下限，让人分不清这究竟是一场科技革命还是又一轮商业炒作。这实在令人遗憾——在信息最发達的时代铺天盖地的新闻却多是噪声，普通人依旧没什么机会弄清热门话题的真相

这也是我动笔的主要原因——我希望更多理性的童鞋能了解一些有关量子计算的事实。

本文主要面向非专业读者只需要基本的物理和信息技术常识即可。本文也不是学术论文重点是介紹这个领域的整体图像、主要挑战，尽量不涉及太多知识细节其实与当下的其它科技热潮（例如人工智能）相比，量子计算、尤其是它嘚物理实验是一个规模很小、离生活较远、有相当专业门槛的严肃科学领域（量子力学只是其中最最基本的知识）想通俗但准确地把事兒说明白挺不容易。但我会努力尝试滴～ 不过最重要的是——区分什么是科学、什么是炒作：（预览一下正文第六部分的几条屡试不爽的經验判据）

  1. 当前所有以量子比特数作为首要亮点的“进展”几乎都是炒作

  2. 所有在新闻媒体上首发或大肆渲染的“进展”几乎都是炒作

  3. 所有茬朋友圈里大量转发、被非专业人群大量关注的“进展”几乎都是炒作

  4. 在现阶段所有“多少年后做出现在有量子计算机吗”的承诺都是炒作

车辆起步，请扶稳坐好［本文谈到的所有进展都已经公开发表，不会透露任何实验室的内部消息和图片］

首先也最重要的是我们茬谈论任何科技进展的时候都必须分清三个概念：科学事实、理论构想、未来展望。

科学事实必须是清晰、准确、可重复的实验结果确鑿的实验事实是最扎实的科学知识。例如氢原子有一个质子和一个电子，正常人有23对染色体等等当前现在有量子计算机吗的研究也是建立在非常坚实的实验基础之上——后面会讲到，在过去的二十多年里科学家已经在量子物理的两条新战线上分别取得了里程碑式的重夶进展。

理论构想是依据已知科学事实、通过逻辑推演得出的预言或设计再精妙的理论构想也要经过实验检验之后才能被称为事实。例洳1916年，爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的预言；但是这个构想直到1974年天体物理学家 LIGO 实验）不过，不是所有的理论家都像愛因斯坦一样伟大科学史上，优美的理论预言最终没能通过实验的检验是再常见不过的事

另一类未能实现的理论构想存在于工程设计Φ。很多童鞋可能都知道达·芬奇的“飞机”设计手稿这里我们说另外一个例子——英国数学家和工程师 Charles 的机械计算机。用现代的计算悝论看分析机就是一台图灵完备 (Turing-complete) 的通用计算机，它有内存、有算数逻辑单元、有指令集、有条件与循环控制编程方式很接近今天的汇編语言，理论上可以用纯机械方式完成现代电子计算机的所有运算1843年，英国数学家 Ada Lovelace（著名诗人拜伦的女儿）为分析机编写了一段伯努利數的计算程序被认为是地球上的第一只程序猿。但是分析机的复杂与精密程度超过了十九世纪机械工程的水平，Babbage 生前也没能为此得到足够的经济支持于是这个原本可以成为人类第一台通用计算机的伟大设计就永远地停留在了图纸上，直到一百年后电子计算机问世

其實，今天我们研究的现在有量子计算机吗很像当年 Babbage 的分析机——都是非常精妙的理论构想但在工程实践上都超前于时代，并且现在有量孓计算机吗的超前程度要远大于分析机今天的“量子算法”研究者也很像当年的 Ada Lovelace——在给一台现实中还不存在的机器写程序。探索未来昰基础研究非常迷人的地方；但我们同是要明白不是所有构想都能成为现实，现在有量子计算机吗从理论设计到真正问世中间有很长很長的路要走

未来展望不用多说，举一个例子就够了：“二十一世纪是生命科学的世纪”

事实、理论和展望在科研中都是必要的，但它們可靠性依次显著降低科技炒作的核心手段之一就是在宣传中把构想当作事实，把主观展望当作客观结论当下关于量子计算的种种“夶新闻”大多如此。所以请大家在阅读下文的时候特别注意三者的区别分清这几个概念，在我看来是比具体知识更重要的科学素养的体現

量子不是一种粒子，它在多数情况下是一个形容词而不是名词它也不是指分立、不连续，而是一套自然规律的总称——这套规律是囚类现有认识范围内物质世界的“基本法”

用个类比：古时侯人们就懂得万物生长靠太阳、种田栽树要浇水施肥，这些都是农作物生长嘚规律；而现在我们知道这些绿色植物生命活动的本质是细胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化学过程。物理世界也是如此我們日常生活中接触到的各种力、热、电、光现象大多可以用建立于十七到十九世纪的经典物理学解释；但进入二十世纪后，科学家们发现卋界是由原子组成的如果想从分子、原子水平的上更本质地理解自然现象，就必须引入一套与经典物理很不一样的新规律这就是量子仂学。引用当代最知名的理论物理学家

量子物理是人类迄今为止建立的最基础、最精确的科学理论现代物理学的主体就是量子力学在各種不同物质尺度上的具体延伸和应用。然而依人们日常的经验和直觉来看，这套规律非常诡异尤其是下面三点：

  1. 量子叠加 (quantum superposition)：在量子世堺中，物体可以同时处于不同状态的叠加上从另一个角度说就是“波粒二象性”。

  2. entanglement)：在量子世界中相互作用的物体之间存在着一种不受距离限制的、用任何经典规律都无法解释的关联。这种关联携带着信息使得发生纠缠的各个物体处于一种不可分割的整体状态，不能汾别描述著名的“薛定谔猫态”就是思想实验中一只猫和一个放射性原子的纠缠态（猫也因此成为了量子物理学家的图腾，喵星人表示佷无辜）控制和利用量子纠缠，是量子信息处理的物理本质 

  3. measurement)：量子世界中不存在安静的暗中观察者，测量不是被动地读取信息而会根本地改变被测物体的状态。它最简单的表现就是“海森堡不确定关系”量子测量的这种必须干扰被测物体的诡异属性使得人们从量子系统中获取信息变得极其困难。实际中我们制造现在有量子计算机吗遇到的大部分难题最终都能归结到量子测量。

量子在不少人的印象Φ可能非常前沿甚至有点玄妙；但熟悉现代物理的童鞋都知道量子力学正式建立距今已有九十多年，是一套相当成熟的科学理论那么紟天的科学家又在研究什么？按照理论造一台现在有量子计算机吗不就完了

不是这样的。科学家对任何一种自然现象的研究必须经过“發现－理解－控制”三个阶段之后才有可能将其转化为实际应用以我们比较熟悉电磁学为例：人们在古代就发现了雷电、磁石，在近代叒发现了电流磁效应、电磁感应、电磁波......；经过库伦、安培、法拉第、麦克斯韦等几代科学家的努力人们逐渐理解了各种电磁现象的内茬规律，并最终形成了统一电、磁、光的经典电磁理论；与此同时科学家们发明了莱顿瓶、伏打电堆、螺线管、电动机、发电机、天线等最基本的物理装置来控制电磁场，使得人们最终可以利用这种自然力进行工程实践才有了后来的电气革命和信息革命。

那我们对量子嘚研究走到哪一步了量子的概念主要起源于19世纪末、20世纪初的一系列原子物理发现；量子力学在1925年后建立并迅速成熟，但是这套完备的悝论建立在一些诡异的基本原理之上人们对这些基本原理的理解至今还很欠缺；不过真正要命的是，尽管量子力学可以用来解释和预测海量的自然现象“如何控制量子物体”的研究却一度进展地相当缓慢——在1990年代之前，科学家都几乎没有控制单量子态的能力由此导致的结果是，人类对量子力学的应用至今仍非常初级类比来说，晶体管、激光、核磁共振、原子钟这些发明对量子原理的开发程度大概也就和指南针对电磁原理的开发程度差不多。简言之相比于对微观世界的认识，人类在实验上控制、测量量子系统的能力还很落后這至今仍是量子技术发展的最大瓶颈。

（二）各种量子技术都是啥

A. 涉及量子原理的经典机器

这一类发明大多在上世纪中期出现，包括晶體管、激光、原子钟、核磁共振等等

“涉及量子原理”是指这些仪器的核心工作原理都源自原子尺度上的、必须用量子力学解释的物质性质——半导体的能带、原子的受激辐射、超精细能级结构、原子核的自旋磁矩等。

那为什么说它们是“经典机器”这是因为这些仪器呮是在微观组成上涉及量子力学，人机交互的过程是完全经典的例如，晶体管的功能来源于半导体中电子和空穴的运动；但是人使用晶體管不是去控制每一个电子和空穴而是控制各个接口电压、电流的输入输出。这里的电压、电流都是有大量微观粒子参与的、完全经典嘚物理量观测不到什么量子涨落 (quantum fluctuation)、不可同时测量之类的怪事。电路中的晶体管也不会处于开和关的量子叠加晶体管之间也不会发生量孓纠缠...... 所以，晶体管只是在工作的微观原理上涉及量子现象人使用晶体管的过程、用晶体管设计电子电路的方法则完全不涉及量子物理。

把晶体管、激光这类发明称为量子技术很容易让我们落入逻辑滑坡——万物的微观组成都是量子的半导体是，木头、棉线也是那照著么说木工、针线活也都算是量子技术咯？因此活在21世纪，我们需要明白：尽管微观组成不同激光器和缝纫机一样属于经典机器，真囸的“量子机器”是我们需要依据量子力学原理来控制、使用的机器比如——

激光、晶体管不算量子机器的本质上是因为人们在这些仪器中控制的只是大量微观粒子的集体运动，而不能对单个原子、电子或光子的量子态进行单独操控人类在单量子态水平上的第一种工程實践直到上世纪末才出现，那就是量子通信

量子通信直白地说就是“量子电报”。传统电报机收发的是经典电磁波信息加载在电磁波嘚幅度、频率或者相位上；“量子电报机”收发的是单个光学频率的光子，信息加载在光子的不同量子态上量子通信的物理基础就是单咣子的产生、操纵、传输和测量。

量子通信最早的理论方案在1984年和1991年被分别提出1992年第一次得到了实验的原理性验证，随后在科学家们的努力下向着距离更长、装置更简单实用的方向发展此中最配得上“量子通信之父”称号的当是瑞士日内瓦大学的 Nicolas Gisin，他领导的实验室除了┅系列使用纠缠光子实现量子通信的标志性实验外最重要的是在1997年发明了不用纠缠光子的“plug & play”方案，成为实用量子通信的标准方法1995年， Gisin 实验室借用瑞士电信公司跨日内瓦湖的湖底光纤在日内瓦和尼永 (Nyon) 两个相距23公里的城市之间实现了第一次长距离户外量子通信。Gisin 与同事創办的 ID Quantique 公司于2003年实现了量子通信的商业化2007的瑞士大选中，日内瓦大学与 ID Quantique 为日内瓦州的电子选票传输提供了量子加密这是量子通信技术苐一次被官方公开使用。此外美国的

那么，这种收发单个光子的“量子电报机”究竟强大在哪人群中对此流传着几个误解：

误解一（低级错误）：量子通信可以超光速

不可以。所有利用了量子纠缠的量子通信方案同时还都需要一个经典信道的辅助而经典通信不可以超咣速。

误解二（中级错误）：量子通信比经典通信更快

不是量子通信的主要意义不是加速，而是保密它传递的不是信息正文，而是加密密钥（也就是余则成藏在抽屉里的密码本）量子通信的实际应用通常也被称为量子密码学 (quantum cryptography) 或量子密钥分发

误解三（高级错误）：量子通信是绝对保密的

并不是。正确的说法是：在理想条件下量子通信在信息传输过程中是无条件安全的。特别地这种的安全保障并非来洎加密的数学复杂度，而是测量必须干扰量子态、未知量子态不可复制等基本物理原理——这是量子加密与经典加密最本质的区别

然而，量子通信的安全性只是理想条件下的数学结论——假设光子传输过程中没有损耗、假设单光子态的制备、测量是完美的等等很显然这些条件在实际中都不成立。在2008年到2010年间就至少有三个利用由实际中非理想条件导致的安全漏洞攻击 ID Quantique 或 MagiQ 商用量子通信系统的实验取得了成功，从事实上证明了现阶段的量子加密技术绝非不可破解现实条件下量子通信的安全问题和优化方式目前仍是一个活跃的研究领域。

更偅要的是量子通信的安全范围仅限于光子的传输过程中；而一个完整的通信过程至少包括编码、发送、传输、接收、解码几个步骤，量孓力学定律可以保证密钥在理想的量子信道中不被窃听但对收发两端的经典安全问题无能为力。这一点其实让量子通信的实用价值大打折扣——在现代保密系统中最大的安全隐患经常就在于收发两端，而不是传输过程所以，尽管物理学家一直在大力宣传量子通信不尐信息安全专家却对此相当怀疑——不可否认，量子通信是非常有趣的物理实验但它在现实中真正对信息安全有多大提高是个不小的疑問。介于这些实际问题尽管量子通信的基础研究在1990年代就已达到高峰（瑞士之外比较有代表性的还有奥地利维也纳大学、美国 实验室、渶国电信实验室等），进入新世纪之后热度却逐渐下降除了小范围之外没有得到大规模的应用和政府支持，直到2017年中国的量子保密通信“京沪干线”开通

如此说来，量子通信的意义到底在哪我认为客观地说，量子通信的基础研究意义远大于实用价值且不谈量子加密茬实际中的安全问题，保密通信本身在科技发展的大局中也只是一件小事即使量子通信得到了大规模推广，它对社会的影响依然是很有限的但是，量子加密技术的基础是1980年代以来一轮量子物理的重大进展——利用光学光子研究量子纠缠这轮研究的主要动机是对量子力學基本问题的探索——在此之前，人们对量子力学诡异属性的理解主要限于量子叠加对更加诡异的量子纠缠、特别是纠缠和测量结合后絀现的一些严重挑战经典世界观的深刻问题主要限于哲学讨论，而缺乏科学实验这其中最著名的就是量子非定域性 是否在真实世界中同時存在。对此的实验探索起源于1970年代的美国但最关键的工作主要出现在欧洲——除 Nicolas Gisin 外，最具代表性的还有法国光学研究所 (Institut 等这一领域嘚科学家们在二三十年间通过一系列基本而巧妙的光子实验极大地深化了人类对于量子纠缠的理解，让量子力学通过了最严苛的检验；同時积累了大量制备、操纵、测量单光子的实验技术并开始思考量子纠缠的实际应用，直接导致了量子通信技术的诞生这在我的理解中昰当代量子科技的第一个里程碑。即使当前实用价值有限理解和控制量子纠缠都是构造更复杂量子机器的必要前提，比如——

现在有量孓计算机吗不是“下一代计算机”不是电子计算机的升级版，而是科学家构想中的一种高度复杂、高度可控的人造量子系统兼具信息處理的功能。现在有量子计算机吗是人类当前设想中最复杂、实现难度最大的量子机器一旦建成对科学和社会的影响也最深远。

量子计算是本文之后全部内容的主角

（三）现在有量子计算机吗有啥用？

先澄清一种流言：现在有量子计算机吗一旦做成直接秒杀经典计算機。

正确的说法是：理论构想中的大型、通用、容错现在有量子计算机吗会在几类特定问题上有超出经典机器的计算能力

现在有量子计算机吗和“摩尔定律”到没到头关系不大。

现在有量子计算机吗并不是一种更快的计算机它在逻辑、输出方式等方面与经典计算机根本鈈同，其中最本质的就是量子纠缠的存在在量子信息学的观点中，量子纠缠是与物质、能量、信息并列的一种自然资源利用好这种资源能使现在有量子计算机吗发挥出巨大威力。但是如何用它设计更快的算法，在理论上就是很大的挑战目前，对绝大多数计算问题悝论家们都还没有找到超过经典算法的量子算法；但在一些特殊问题上确实有了新的发现。哪些问题呢最早发现的主要有两类：一类可鉯归结为质因数分解（Shor 算法），比已知最快经典算法有指数加速（准确说是超多项式加速）；另一类可以归结为无序搜索（Grover 算法）比经典算法有多项式加速。

算法分别于1994年和1996年被提出可以说是它们的发现引起了科学界对量子计算的真正重视——尽管量子计算的初步概念茬80年代初就已出现，但十几年来都只是很小圈子内的理论游戏被认为既无法实现也没有用处；Shor 算法和 Grover 算法终于为现在有量子计算机吗找箌了可能的实际应用。其中 Shor 算法的影响尤其大——现代密码学中几类常用的公钥系统包括

不过这种威胁并不紧急——想运行 Shor 算法破解密碼需要有至少上百万个量子比特的通用、容错现在有量子计算机吗，这其中的任何一个词在短时间内都无法实现并且，关于现在有量子計算机吗无法破解的“后量子时代加密技术”的研究也已经有了不少成果所以，单是破密码这类“黑客活动”并不会赋予现在有量子计算机吗科技革命式的重要意义在 Shor 和 Grove 算法提出后的十来年里，再没有第三类重要的量子算法被发现量子计算理论的发展一度走向平缓。

算法：在一系列前提假设下现在有量子计算机吗可以在对数复杂度内求解一些特殊的线性方程组。这让这个领域又一次火了起来——与 Shor 算法只有“黑客应用”不同线性方程组在现代计算中可以说是无处不在。特别地它是很多拟合、推断、优化问题的基础。HHL 的各种衍生算法与这些年人工智能的热潮结合让这类研究有了个不能更时髦的名字——量子机器学习，这也让现在有量子计算机吗第一次拥有了商業价值更好的是，一些量子机器学习算法只需要有50到100个量子比特的小型现在有量子计算机吗就能展现出优势这在当前实验发展的趋势丅并非遥不可及。在潜在利润的驱动下从2011年开始，特别是2014年之后各大商业公司开始纷纷关注量子计算。这也是量子计算开始在各种媒體上频繁出镜的时候

该说但是的时候又到了。HHL 算法与之前的 Shor 算法和 Grover 算法有根本的不同——严格地说 HHL 不是一个具体算法而是一个在特殊假设和限制条件下的算法模版，或者说是一个完整算法的一部分它没有回答数据应该怎样读入读出，没有回答如何才能让现在有量子计算机吗按照给定的参数演化并且有非常苛刻的适用范围。任何一个细节条件不满足量子加速都会消失。以 为模版设计一个具体算法就需要填补上这些细节但极少有实际问题满足全部的限制条件，且满足这些条件的特殊问题很多时候都有更好的经典算法（各种量子机器學习算法中声称的加速绝大多数都是在用特殊条件下的量子算法和通用的经典算法做比较）当前量子机器学习的研究多是在抽象地发掘量子算法在某些计算步骤中的优势，而少有人下大功夫考虑具体问题和完整的计算过程简言之，理论家们找到了算法模版但还没有明確落实可以使用这套模版的具体问题，也没有可以运行这套算法的机器因此，现在我们的结论只能是：量子算法有希望加速机器学习中嘚某些步骤但具体该怎样做还有待研究。

以上似乎有些悲观：现在有量子计算机吗短时间内在传统的计算问题上还没有清晰明确的应用但其实从物理学家的视角看，现在有量子计算机吗最有价值的潜在应用并不是传统意义上的计算而是量子仿真 (quantum simulation)——自然界中原子、分孓的微观过程遵守的都是量子力学；可由于量子纠缠的存在，再强大的经典计算机也不能对规模稍大的量子系统（比如几十个原子）进行嚴格求解而只能借助近似（密度泛函、Monte Carlo 等），这就是现代计算物理、计算化学的核心然而，现在有量子计算机吗就是一台自带量子纠纏的机器最适合在编程之后模拟待研究的复杂量子系统，也就是用量子机器求解量子问题最原始的量子仿真在近二十年里已经是冷原孓物理的重要方向，但它真正发挥出威力还是要等现在有量子计算机吗的出现那时，凡是涉及大量微观粒子的研究例如凝聚态物理、量子化学、分子生物学都将发生很深刻的变革；相应的应用学科，例如材料合成、药物研发等也都会有很本质的改变。

说了这么多现茬有量子计算机吗到底有啥用？量子计算起源于好奇心驱动的思维游戏近二十年有了坚实的实验进展，但它在短期内还将是一种基础研究没有立即可操作的实际应用。可从长远来说它将给给现有的计算理论带来深刻变革，将极大加深人类对物质与信息的理解；特别地它将是一种前所未有的计算微观世界的强大工具。类比来说现在有量子计算机吗像是计算机中的火箭。火箭再强大也不能取代火车、汽车、自行车，因为它们的根本用途不同同理，现在有量子计算机吗价值的并不是取代经典计算机甚至主要不在于加速传统计算，洏是在于一些经典计算机不能解决的特殊问题比如复杂微观系统的模拟。量子计算并不是“后摩尔时代”的计算它与传统的微电子是兩个目标不同、平行发展的领域，不可以相互替代未来现在有量子计算机吗的第一波应用也将是对科学的意义大于对商业，对科学家的意义大于对普通人

所以，现在的程序员们大可继续安居乐业研究奇怪的新机器就交给一小撮量子发烧友就好啦～

（四）现在有量子计算机吗怎么做？

现在有量子计算机吗是用“原子”和光子做的更确切说，是直接用“原子”和光子做的这里的“原子”既可以是天然原子，也可以是固体系统中的“人造原子”；光子有的在光学频率有的在微波频率。

现在有量子计算机吗运行的物理过程就是单量子呎度上的原子－光子相互作用。这是人类有史以来最精巧的物理实验之一

量子力学主要是微观粒子的科学。但是在它创立之初科学家們没有能力在实验上控制单个微观粒子，以至于玻尔、海森堡、薛定谔、爱因斯坦这一代前辈们只能在脑子里做单个粒子的思想实验例洳关着一个光子的盒子、观测单个电子的显微镜之类。真的在实验中做到这些一度被认为是根本不可能的

方向的课题参加答辩。一位评委问他：“你的实验中有大量的原子和光子为什么要用量子理论去描述呢？” Haroche 回答：“老师有一天我会用一个光子做这个实验。”

NIST）洇为首先实现单个原子和光子之间的非破坏测量与控制获得诺贝尔物理学奖Haroche 的实验系统叫腔量子电动力学 (cavity quantum electrodynamics)——让处于极高激发态的原子┅个个地飞过微波腔，与腔中囚禁的一个或几个光子相互作用用原子控制和测量光子的量子态；Wineland 的实验系统叫离子阱 (ion trap)——用激光冷却和射频电场囚禁一个或几个带电离子，再用电磁场和激光对离子进行量子操纵和测量

腔量子电动力学实验概念图（巴黎高等师范学院 Serge Haroche 实验室）

Paul 离子阱实验概念图（奥地利因斯布鲁克大学 Rainer Blatt 实验室）

腔量子电动力学和离子阱实验刚开始时，量子计算的概念还很不受重视它们本來也只是纯粹的基础物理研究。但是到了90年代后期大家开始意识到单量子态的操纵和测量就是量子计算的基础。随后物理学家又在几類不同的物质系统（超导量子电路、半导体量子点、固体缺陷等等）中实现了非常可靠单量子态控制，宣告了量子计算实验研究的开始——在我的理解中这是当代量子科技的第二个里程碑如果把未来的“量子工程”比作建高楼，那么这一步就好比是学会了烧砖人类从此鈳以开始以高度可控的方式操纵量子世界的基本单元，逐渐构建复杂的人造量子系统

每一种高度可控的单量子系统理论上都有可以作为現在有量子计算机吗的基本组成。然而在实际中不同的物理方案的差别很大。目前最领先的量子计算实验系统只有两种——一个是离子阱另一个是超导量子电路。

用电磁场囚禁带电离子的研究从1950年代就已经开始Paul 阱和 Penning 阱的发明人—— Wolfgang Paul（德国波恩大学）和 Hans Dehmelt（美国西雅图华盛顿大学）在1989年分享了诺贝尔物理学奖。1970年代原子的激光冷却技术出现并迅速应用于离子阱；1989年，David Wineland 实验室首次实现了汞离子的基态冷却离子阱走入量子时代。早期离子阱主要的发展动力是精密测量，例如测量电子反常磁矩、提供超高精度频率标准（原子钟）等直到1995姩，科学家们才意识到这是一个非常理想的量子计算平台21世纪的头十年里，离子阱几乎在各类量子计算实验系统中保持绝对领先它最奣显的优势有：

  1. 干净：单个或几个离子是干净的无杂质系统，量子相干时间很长

  2. 精密：离子的量子逻辑门和测量的保真度 (fidelity) 很高。

  3. 容易多體纠缠：任意两个离子之间都可以相互作用（产生纠缠）另外，自然中的同种原子是完全相同的离子阱也特别适合模拟量子多体系统。

而然它的劣势也是明显的：

  1. 慢：天然原子与光子的相互作强度有限导致离子的控制和测量都很慢（大概比超导量子电路慢一千倍）。

  2. 實验手段复杂：冷原子类实验都需要非常精巧复杂的激光、真空和电磁场装置

  3. 集成困难：离子依靠电磁场“悬浮”在阱中。同一个阱中朂多也就囚禁十几到几十个完全可控的离子大规模集成几乎没有可能。

在离子阱的研究者试图攻克这些难题的时候一种很不一样的系統开始逆袭。

量子理论自创立之初就一直有个重大疑问：这套理论究竟是只适用于微观粒子还是也适用于宏观物体？这与量子纠缠一样嘟是历史遗留问题长期只有理论争辩而没有实验进展。1982年一支伯克利加州大学的三人小组——英国物理教授 结的超导体－绝缘体－超導体三明治结构试图观测宏观量子现象；几年之后，他们通过宏观量子隧穿和微波谱的测量得到了明确结论——在极低温下Josephson 结的宏观相位遵守量子力学规律。特别的是这里的宏观量子现象不是指“大量量子力学粒子组成的宏观物体（例如超导体）”，而是一个必须用量孓力学描述的宏观自由度（Josephson 结相位）尽管这个人造器件中有几百亿甚至更多的原子，它们的一个集体运动自由度却是量子的我们可以潒控制单个原子一样控制这个超导器件。因此这类包含 Josephson

2000年前后，世界各地的多个实验团队（ 法国 Saclay 原子能研究所、日本 NEC 基础研究室、荷兰 Delft 悝工学院、美国国家标准与技术研究所 NIST 等）先后实现了几类不同超导人造原子的量子叠加2004年，耶鲁大学 Robert Schoelkopf 实验室首先观察到单个微波光子與超导人造原子的相互作用这类实验系统被称为电路量子电动力学 Devoret 实验室发明了两种目前最重要的超导人造原子——transmon 和 fluxonium。接二连三的重偠进展让超导量子电路在十年内迅速成为最有希望的量子计算系统之一

一些重要的超导人造原子：左上：超导电荷量子比特（日本 NEC 基础研究室蔡兆申实验室）左下：超导磁通量子比特（荷兰 Delft 理工学院 Hans Mooij

电路量子电动力学实验概念图（耶鲁大学 Robert Schoelkopf 实验室）

超导量子电路最大优势茬于它是一套可以在宏观尺度上对光子和“原子”进行相互控制和测量的“人造工具箱”。它的各种参数和性质不是由大自然设定而是鈳以通过设计在很大范围内进行调整，让科学家可以通过工程方法解决各种实验问题这使得它相比天然原子

  1. 快：通过器件设计可以增大“原子”－光子相互作用强度，实现纳秒速度的量子逻辑门

  2. 实验手段简化：超导量子电路需要在 20 mK（绝对零度之上0.02摄氏度）以下的极低温笁作，这用目前已经商品化的稀释制冷机

  3. 作为固体器件很容易通过现代微纳加工进行大规模集成。

但是超导量子电路也有不少缺点人慥原子终究没有天然原子干净完美，超导量子电路在量子相干时间、逻辑门准确度、频率稳定性等方面一直都不如离子阱但科学家们一矗在不断通过新的器件设计来试图解决这些问题——超导人造原子的相干性在十几年内已经提高了十万倍（从最初的几纳秒到现在的上百微秒）。这几年来超导量子电路已经成为最受关注的量子计算技术，在学界和业界都很受青睐

除此之外，比较热门的量子计算实验系統还有固体缺陷（金刚石色心、碳化硅色心等）、半导体量子点等但是，离子阱和超导量子电路目前处于明显的领先状态我认为有两個根本原因：

  1. 基本组成简单。人们对单个原子的结构和低温超导体的性质已经相当清楚

  2. 控制方法成熟。激光和微波技术都已经经过了半個多世纪的发展激光冷却和稀释制冷目前也都相当成熟。

这使得物理学家不再需要花很大精力研究“原子”和光子本身而是可以把它們作为可靠的基本工具来构造更复杂的量子系统。而很多关于固体缺陷和量子点的研究重点还是制备、控制方法和基本物理性质它们是非常有价值的物理和材料研究，但是在量子计算的水平上暂时与离子阱和超导量子电路不处在同一个发展阶段此外，中性原子、线性光學等系统在基本的原理验证上有一定意义但一般认为在实用方面的发展空间比较有限。

anyon)——Majorana 费米子过去五年间，已有多个实验室在固體系统中观察到了 Majorana 费米子存在的迹象但至今仍未确定，也无法对其进行任何量子操作准确地说，当前的“拓扑量子计算”是一种以量孓计算为潜在应用的凝聚态物理研究而非真正的量子计算研究，处于基本单元尚未发现的最初构想阶段这个方向近几年热度很高，但咜还属于基础的凝聚套物理暂时不应该和其他量子计算实验系统并列起来，相互比较没有太大意义

不同实验系统之间孰优孰劣一直是夶家津津乐道的话题。然而绝大多数宣传（包括学术论文和报告）的基本思路就是以己之长比他人之短为自己的方案吸引关注、申请经費，撕来撕去没有什么客观结论从我自己的角度认为，

  1. 所有实验系统都为量子计算的原理验证做出了贡献

  2. 离子阱和超导量子电路暂时领先

  3. 超导量子电路更接近一种灵活实用的工程系统未来的设计空间和发展潜力更大（当然这属于展望，我很有可能是错的～）

（五）当前量子计算实验研究的各路高手都是谁

离子阱和超导量子电路作为最领先的实验系统，已经开始出现“巨头垄断”的趋势——在长期的经驗积累下个别超一流实验室已经和其他竞争者拉开了一个身位。这种优势并不只是技术领先更重要的是所挑战问题的难度、复杂性和湔瞻性。这些超一流实验室全都在美国和欧洲

目前，全世界大概有三十几个离子阱实验室积累最深、影响力最大的除诺奖得主 David Wineland 外，还囿美国马里兰大学的 Christopher Monroe 团队和奥地利因斯布鲁克大学的 Rainer Blatt 团队这两个实验室在实现多体量子纠缠、尝试量子纠错以及离子阱技术实用化等方媔都走在全世界的最前列。

超导量子电路实验室全世界也已经有了几十个其中处于最核心位置的有两个，分别在美国东西海岸——东海岸的耶鲁大学和西海岸的圣芭芭拉加州大学/Google它们各自的掌门人就是当年伯克利宏观量子隧穿三人小组中的两位年轻人。

实验室在九十年荿为世界著名的介观超导结构单电子输运研究组致力于探索宏观电路的量子效应，最终在1998年在2002年分别发明了超导电荷量子比特 (Cooper pair 与因研究汾数量子霍尔效应闻名的理论物理学家 Steven Girvin 一起加入耶鲁大学与当时年轻的助理教授 Robert Schoelkopf 组成了密切合作至今的“三驾马车”。耶鲁团队2004年发明叻电路量子电动力学结构成为当前超导量子电路最核心的控制和测量方法；2007年发明 人造原子；2010年发明量子极限放大器，实现 single-shot 量子非破坏測量；2010年首创三维电路量子电动力学；2013年提出 cat-code 可以说耶鲁团队在过去15年间贡献了当前超导量子计算主要的电路结构与控制、测量方法，並且目前在逻辑量子比特、远程量子纠缠、量子极限测量等方面都在领跑世界

，成为低温超导器件的专家并在2002年发明超导相位量子比特。2004年Maritnis 加入圣芭芭拉加州大学 密切合作，实现了多种量子电路构架在材料、工艺等工程细节方面尤其精湛，特别注重实验设计的实用性2014年，Martinis 实验室全员被 Google 收购开始着力于具有一定规模的实用量子芯片的研究，目前在平面量子电路的复杂度和技术质量上保持领先

除叻两大领头羊外，全世界还有十来个原创能力较强的超导量子电路实验室其中，美国伯克利加州大学、芝加哥大学、普林斯顿大学、马裏兰大学、瑞士苏黎世联邦理工学院、荷兰 Delft 理工学院、法国原子能研究所、巴黎高等师范学院的实验室都是由耶鲁团队曾经的学生和博士後带领此外，美国 IBM Watson 研究中心和麻省理工学院林肯实验室各有一支人数很多、工程执行力很强的研究团队日本理化研究所 (RIKEN)、瑞典 Chalmers 理工学院也有竞争力较强的实验室。

其它量子计算系统也都有各自的超一流实验室例如（不完整名单）

不过与离子阱和超导量子电路非常关注量子系统的设计、控制和测量不同，量子点与“拓扑量子计算”当前最关键的主要还是材料和工艺更接近基础的凝聚态物理；固体色心除了量子信息，还在纳米光子学、材料和生物成像等方面有不少应用所以这些系统还没有那么“巨头垄断”，一流研究组比较多新实驗室的发展机会也更多。

（六）量子计算到底难在哪进展到哪一步了？

Science 上的“量子计算台阶图”下一层实验是上一层实验的基础；但這并不是一个直线升级过程——为了上一个新台阶，在它之下的所有台阶都必须不断优化所以，我们站的越高工作量就越大现在有量孓计算机吗越往后做越难。

图上的前三层大致对应量子力学的三大诡异属性——叠加、纠缠、测量到目前，主要的量子计算实验系统（鈈计“拓扑量子计算”）都已经站上了前两层但不是每种系统都站上了第三层。

迄今为止没有一种系统完成了第四层（量子纠错）。

開头说过人们研究量子计算遇到的麻烦大多都能归结到各种形式的量子测量。

对经典计算机来说数据输出是很直接的——按高低电平區分二进制数就好。然而量子计算的过程一般只涉及几个基本能量量子，比如一次电路量子电动力学色散读出 (dispersive readout) 一般只用5到10个微波光子洳此微弱的信号如何测量？要知道世界上最好的半导体微波放大器（液氦温度下工作的高电子迁移率晶体管 HEMT）放大一个光子大概要添20个咣子的噪声。另外单量子水平的测量一般都要改变粒子的量子态，甚至直接毁灭粒子（比如光电倍增管的原理就是通过光电效应将入射咣子转化为电流并放大但测量之后被测光子直接被吸收）。总之想从量子系统中高效地读出信息是件非常困难的事。

measurement)——测量不毁灭被测粒子、第一次测量后粒子状态不再改变、每次测量结果都可分辨对于离子阱和金刚石色心，这可以通过激光荧光 (laser-induced fluorescence) 实现但超导人造原子只有微波跃迁，且微波光子的能量只有光学光子的十万分之一2010年后，这个问题终于由电路量子电动力学色散读出加量子极限放大器 (quantum limited amplifier) 解决——后者是也是一类极低温下工作的超导电路放大一个光子只添一个光子的噪声，这是量子涨落导致的海森堡极限对量子极限放夶器的发明贡献最大的是耶鲁大学 Michel Devoret 实验室和伯克利加州大学 Irfan Siddiqi 实验室。这让超导量子电路成为第一个站上台阶图第三层的人造系统

第四层困难就更大了，原因还是量子测量——理论构想中我们总希望人是现在有量子计算机吗的唯一观察者。可实际上环境无时无刻不在对量子系统进行测量。这种测量会导致现在有量子计算机吗与环境产生纠缠不再保持理想的量子纯态，逐渐失去量子相干性这个过程叫量子系统的退相干 (decoherence)。从信息的角度讲量子信息会逐渐丢失在环境中而不是进入我们的测量装置，实验者是在与环境抢信息量子信息丢夨的时间就是这个系统的相干时间 (coherence time)。目前最好的超导人造原子的相干时间大多在10到100微秒之间。也就是说直接用它们做成的现在有量子計算机吗最多只能连续工作万分之一到十万分之一秒。

任何量子系统都无法避免退相干更麻烦的是，相干性与可控性之间有密切联系——相干时间越长表明系统与环境越隔绝，但这同时意味着它和人也越隔绝对它的控制和测量也越难。我们总是希望现在有量子计算机嗎与环境隔离但容易被人控制，这本身就是矛盾的现实中，不同物理系统的相干时间会有很多数量级的差别但相干时间越长的系统邏辑操作也越慢（比如天然原子、离子），在相干时间内能完成的运算量差别并不大所以，不谈控制、测量的速度和精度、单纯强调某種系统相干时间长是没有意义的

由于退相干，现在有量子计算机吗一度被认为永远不可能做成直到量子纠错 (quantum error-correction) 概念的出现。

纠错在经典信息技术中就很常见最简单地，我们可以对信息复制多个副本来防止个别副本的误码这与重要文件一式多份防止篡改同理。但是未知的量子态是不可复制的，我们不能为量子信息制作多个副本新的思路在1995年出现——我们可以把一量子比特信息分散存储在几个高度纠纏的量子比特里，通过测量错误征状 来查错纠错单独的天然或人造原子称为物理量子比特，多个物理量子比特纠缠形成容错的逻辑量子仳特经过量子纠错，逻辑量子比特的寿命会远超过物理量子比特的相干时间这才是真正计算意义上的量子比特。

到目前任何实验系統都没能做出逻辑量子比特。没有量子纠错的“现在有量子计算机吗”就只能在相干时间内做一些最简单的运算Google、IBM 等公司近两年一直在仳拼芯片上“量子比特”的数量，但它们都只是寿命几十微秒的物理量子比特逻辑量子比特的数量都是零。

量子纠错是人们研究现在有量子计算机吗迄今为止遇到的最难的问题在我的理解中，它的实现将是当代量子科技的第三个里程碑——人类从此有方法保护在自然界Φ转瞬即退相干的量子态就好比从原始人从采集到种植、从狩猎到畜牧；在工程上，它将为大型通用现在有量子计算机吗提供基本逻辑單元当下量子计算最大的挑战就是实现逻辑量子比特，而不是在一块芯片上集成多少物理量子比特

量子纠错理论在90年代末就达到了第┅个高潮，其中最重要的成果是 stabilizer code然而问题远没有这么简单：查错、纠错的过程都是复杂的多比特量子操作，本身就会引入错误stabilizer code 只有在量子逻辑门本身精度非常高的情况下才会有效，否则就是纠错过程中出的错要比不纠错还多举例来说，如果用三级 Steane 7比特纠错码级联（432个粅理量子比特编码一个逻辑量子比特）对一个130位的整数分解质因数需要大概一百万个物理量子比特，且比特和逻辑门的出错率不能超过百万分之一这在短期内是任何技术都无法企及的。所以stabilizer code 尽管非常简洁通用，但受到当前实验水平的限制不是实现逻辑量子比特的首選。

新一代的量子纠错方法通过放弃通用性来降低对实验精度的要求——纠错码不再是抽象的数学方法而是为特定实验系统、特定电路結构专门设计。但这带来一个结果：不同团队就如何爬第四个及之后各个台阶的路线出现了明显的分歧；即使做同一种物理系统也会因為不同的实验方案选择不同的纠错码。在超导量子计算领域目前主要的路线有两条：一是平面结构、单片集成、使用 surface code 纠错；另一条路线昰三维结构、模块化集成、使用玻色纠错码。以下将它们简称为 Google/UCSB

本质是一种拓扑纠错码它用超导量子电路的具体实现方案由UCSB（现Google）团队與理论合作者在2012年提出。它的基本物理组成非常简单：近邻耦合的超导人造原子按照平面方格（国际象棋棋盘）排列即可它对量子操作精度的要求远低于 code，当前最好的实验水平几乎已经达到这种路线受到很多团队、特别是商业公司实验室的欢迎，Google、IBM、Intel、Regetti

但是 surface code 的劣势也是非常明显的它的基本单元很简单，但代价是系统极其复杂电路规模巨大。目前Google 9比特芯片中的两比特逻辑门保真度 进行量子纠错的可能。但即使逻辑门保真度再提高十倍（这非常非常困难）实现一个逻辑量子比特也需要几千个物理量子比特，质因数分解一个5位数需要約四千万个物理量子比特分解一个600位数需要约十亿个物理量子比特！要知道微电子学经过了半个多世纪的发展，今天的 Intel Core i7 芯片上才有十亿個晶体管并且量子电路的集成并不像经典电路一样直接——芯片做大会大大增加量子比特之间的串扰和噪声，想维持小规模电路的质量非常困难所以，通过 surface code 实现量子纠错并不比大规模运行 Shor 算法这种遥远的宏伟目标简单多少。

的商业实验室都明白这一点但他们在宣传仩几乎都对此少谈或不谈，转而强调不经过量子纠错的小规模量子电路可能的实际应用但如第（三）部分所说，50到100个相干时间几十微秒嘚物理量子比特是否真有实际应用现在还很不确定于是这些团队再退而求其次，将近期目标设为实现 quantum supremacy——在实验上证明量子电路在解决某个特定问题时比所有经典计算机都快2016年Google 团队在理论上提出，49个物理量子比特可以在随机量子电路的输出采样这个特殊问题上超过所有經典计算机这离当前的技术前沿并不遥远。Quantum supremacy 一旦实现将会是量子计算威力的第一次真实展示也因此成了各个商业实验室短期内竞争的焦点；但这个实验的象征意义远大于实际价值——这个量子电路算得更快的问题是专门为验证 quantum supremacy 设计的，并不是一个实际问题Google 团队及其理論合作者也多次公开表示，quantum supremacy 只是通向实用量子计算的长征上的一个近期阶段性目标目的在于演练对小规模量子系统的控制能力；仅实现 quantum supremacy 嘚芯片依然不能做任何有用的工作。

2013年起耶鲁团队与其理论合作者提出了另一种非常不同的量子纠错方案——用谐振腔内的微波光子作為逻辑量子比特，超导人造原子仅用来控制和测量微波光子通过量子非破坏测量对微波光子的宇称 (parity) 等很多种，统称为玻色纠错码（光子昰一种玻色子）以微波光子做逻辑量子比特有很多好处——谐振腔内光子的寿命长、能级多、误码原因简单（光子损耗）、与超导人造原子相互作用强...... 更重要的是，这是一种高效利用硬件的纠错方案——一两个物理量子比特和一两个谐振腔就能构造一个逻辑量子比特不潒 surface code 需要成千上万个物理量子比特。过去五年里耶鲁团队已经对 cat code 进行了大量实验，在2016年突破了量子纠错的 break-even point——第一次在实验中测得逻辑量孓比特的相干时间长于它的所有物理组成；在2018年初实现了误码征状的容错测量将逻辑量子比特的相干时间提高到1.9毫秒，遥遥领先于其他團队另外，分别位于巴黎高等师范学院、芝加哥大学、清华大学的几个实验室也都在用相似电路结构进行玻色纠错码的实验研究

玻色糾错码的实现难度也很大。我们需要非常巧妙地设计系统中超导人造原子和微波光子之间的相互作用来实现一些精巧的人造量子光学过程（例如四光子泵浦等）。另外如何纠正多光子损耗、如何平衡各种玻色纠错码的利弊等问题都很挑战。但在当前进展下这些难题很囿希望在短期内被攻克，而不是非常遥远的目标

总结说，Google 路线是先集成、再纠错基本单元简单，电路规模庞大主要难度在于工程复雜性；耶鲁路线是先纠错、再集成，电路精简主要难度在于精巧的量子光学过程。但无论哪条路线最重要的都不是物理量子比特数量。

耶鲁路线无需集成大量物理量子比特就有希望实现逻辑量子比特Google 路线需要大规模平面集成，但比数量更重要的是质量——数量做大并非难事真正困难的是如何在芯片做大的同时保证每个量子比特的相干时间以及量子逻辑门和量子测量的保真度。这也是 Google 团队过去几年工莋最出色的地方：5比特、9比特芯片上每一个物理量子比特的质量几乎都与单独测量的时候一样高并希望能延续到22比特 Foxtail 芯片。这个数字不昰随便选的——与5比特、9比特的一字排开不同22比特将采用双排排列，这是形成二维阵列的第一步将带来很多芯片结构和工艺的新挑战。这就是量子电路研究每往前一步都要无比谨慎，越往下走越难John Martinis 一向以治学严谨甚至苛刻闻名，在他的领导下 Google 团队正在高质量、有章法地沿着自己提出的路线步步为营然而不是所有团队都像这样扎实，这两年超导量子计算领域最流行的宣传卖点就是量子比特数不考慮量子纠错方案、不强调控制和测量的精度，好像谁的芯片上物理量子比特多谁就领先了一步各家 IT 巨头和创业公司动不动就在新闻或年會上“发布”一块多少比特的芯片，以证明自家的“进展”和“竞争力”这样是纯粹的商业炒作，在科学上没有意义2018年3月5日早上，Google 团隊的 Julian Kelly 在美国物理学会三月年会一场邀请报告的最后展示了一下72比特 Bristlecone 芯片的设计版图（我就在会场）这根本不是那场报告的重点；但它立刻被宣传成“Google 发布72比特量子芯片”，甚至在半天内席卷中文媒体朋友圈里排队转发，还引发了各种一本正经的对当下“量子争霸”的“戰略评论”实在让人觉得荒唐。看过这些乱象我向大家推荐三条屡试不爽的经验判据：

  1. 所有以量子比特数作为首要亮点的“进展”几乎都是炒作

  2. 所有在新闻媒体上首发或大肆渲染的“进展”几乎都是炒作（包括麻省理工科技评论，那是一家独立运行的商业创投杂志不昰学术期刊）

  3. 所有在朋友圈里大量转发、被非专业人群大量关注的“进展”几乎都是炒作

量子纠错之上的各个台阶（逻辑量子比特的控制、纠缠、测量，到最终的容错量子计算）难度只会更大具体有哪些挑战现在还无法预计，因为我们的实践还根本没有到那个阶段不过茬这方面耶鲁团队再次领先一步——2016实现两个谐振腔之间的纠缠、2017年底实现光子收发 gate)。这些都是直接对逻辑量子比特的操作只是微波光孓还未经量子纠错。耶鲁路线允许我们现在同时开始挑战第四、五、六个台阶一系列结果还是非常振奋人心的。

相信以上都看下来的童鞋已经明白量子计算是一条越爬越陡的天梯，我们现在还只处于很初步的阶段我们遇到的问题会越来越多、越来越难，但我们解决问題的能力也会越来越强大型、通用、容错现在有量子计算机吗什么时候做出来？任何明确答案都是不负责任的因为它太难做、未知挑戰太多、现在我们根本没法给出负责任的估计。用另一条经验判据结束这一部分：

在现阶段所有“多少年后做出现在有量子计算机吗”嘚承诺都是炒作。

（七）量子计算何时商业化

进军量子计算的商业公司很早就有了。2007年在学术界还在研究基本的物理量子比特的时候，一家叫 D-Wave System 的神秘加拿大公司突然宣布自己做出了一台现在有量子计算机吗的原型机 OrionOrion 不是一台基于逻辑门的通用现在有量子计算机吗，而昰一台量子退火机 (quantum annealer)它有16个超导量子比特，但不对量子比特做单独控制而是用绝热演化的结果求解一些特定问题。之后D-Wave 的退火机越做樾大，2011年推出128比特的 D-Wave One这是世界第一个量子计算商品，售价1000万美元被军火巨头洛克希德·马丁 (Lockheed Martin)

这些听上去很厉害的 D-Wave 机器到底有多强大？這在十年来一直争议不断问题是，科学家甚至说不清 D-Wave 退火机到底是不是一台量子机器D-Wave 机器里有没有量子纠缠？一些实验表明很可能有那 D-Wave 机器有没有量子加速？绝大部分测试表明没有特别在2015年，一支合作团队（包括 John Martinis 在内）用 D-Wave Two 最适合解决的专门问题对它的计算复杂度随問题规模的增长规律做了严谨的测试结果是这台512比特的机器没有任何量子加速！这一大堆量子比特放在一起到底发生了什么？谁都说不清楚不过测试 D-Wave 机器的过程很大程度上帮助科学家们明确了量子加速 (quantum speed-up) 的严格定义。另外一点是很有趣的：人们用一堆量子比特很容易地就慥出了一台自己不理解的机器直到现在，基于量子退火的绝热量子计算 (adiabatic quantum computing) 还是量子计算中的一个比较独立的分支不少人都在继续发掘它嘚潜力，希望它能对解决一些特定的优化、仿真问题发挥作用

量子计算真正的商业热潮从2014年开始——Google 全员买下了 John Martinis 在圣芭芭拉加州大学的實验室，成为“ Google 量子人工智能实验室”的一部分并立刻给这群低调的科学家配上了强大的宣传团队。各家 IT 巨头纷纷坐不住了各种专营量子计算的创业公司也开始出现。

目前各种参与量子计算的商业公司主要分四类：

第一类是 IT 或工业巨头，其中 IBM 和微软上场远比 Google 早IBM 十多姩前就在 Waston 研究中心建立了以耶鲁毕业生和博士后为骨干的、颇具规模的超导量子计算实验室和理论组。IBM 的量子实验室曾经专注于扎实的基礎研究领取政府经费，与大学实验室无异；直到几年前才开启商业竞争模式

微软很早就在圣芭芭拉加州大学内建立了 Station Q，专注于“拓扑量子计算”理论也曾是完全的学术导向。这两年微软在荷兰 Delft 理工学院、丹麦哥本哈根大学、澳大利亚悉尼大学、美国马里兰大学、普渡夶学、Redmond 总部都新建了 Station Q；最重要的是把这一领域最有影响力的两位实验物理学家 Leo Kouwenhoven

实验室合作发展硅量子点。

第二类是大学教授兼职创办的噺公司支持与转化自己学术实验室的成果。

第三类是自主创业、有完整硬件实验室的新公司其中最有名的是位于加州伯克利的 Rigetti Computing，由耶魯博士毕业的 Chad Rigetti 在2013年创办现在融资已接近7000万美元，员工近百人

第四类只做周边软件产品。这样的公司这两年出现了很多

这些“量子企業”到底多有希望？我的个人观点是：不同类别公司的性质是非常不同的

spin-off）会对当前的量子计算发展非常有帮助。量子实验正朝着越来樾复杂的方向发展除了核心的物理原理外还涉及大量的工程细节，其工作量已接近传统大学实验室的极限此时，来自专业工程团队的支持例如标准化的零件、加工工艺、专用的电子设备、控制程序将会极大地提高科研的效率。这类公司一方面解决实验中的工程问题叧一方面将学术实验室的成果做大做规范，这是一种非常良性的互动不过，它们短期内一般没有很大的盈利计划规模也很小。

第一类囷第三类公司都有很强的盈利目的但都自建或接管强大的实验团队，身体力行做现在有量子计算机吗在工作和宣传方式上也都很类似。它们的主要区别在于承受风险的能力不同巨头企业更能承受长期投入而不见回报的基础}

原标题：Google的量子计算之梦：10年后機器学习全部量子化

上周谷歌宣布他们的现在有量子计算机吗比传统计算机快上1亿倍，有人欢呼雀跃有人提出质疑。让我们来看看背後的故事吧看看物理学家John Martinis如何帮谷歌实现炙手可热的量子计算之梦。他或许正手握着量子计算的圣杯本文选自麻省理工科技评论。

John Martinis用咾花镜腿指向几年后即将造出新型计算机的地方这种新型计算机将拥有超乎想象的计算能力。那是一个圆柱形的槽约查看更多精彩内嫆。

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欢迎来到经管小酒馆请坐吧。

峩们曾经分享了一篇介绍深度科学和风投创业历史的文章介绍了这两者对于美国战后崛起的重大作用。

然而各位读者老爷们可能会有所疑问：深度科学和创业真能放在一起吗需要那么多投资、那么深厚的技术基础，创业公司哪儿有啊

别着急，我们今天带来了一个鲜活嘚例子

人类未来即将迎来”量子时代“，我们都这么相信着

”量子“科技，分为量子通信和量子计算两大门类特别值得骄傲的是：峩国的量子通信技术实践走在世界前列（墨子号卫星）。而在更加关键的量子计算领域却是罕有进展，距离攻克这一技术难关我们人類还差了无数的努力要付出。

就是在如此前沿的科技领域居然有一家创业公司成功站稳了脚跟！这家名叫D-Wave的公司生产一种专门的现在有量子计算机吗，称为“量子退火器”（Quantum Annealer）已经销售了几代产品给一些掌握最前沿技术的客户，包括洛克希德马丁公司、谷歌、美国国家航空航天局以及美国大学空间研究协会的量子人工智能实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室

D-Wave系统公司是怎么出现的？它为何选择生产量子退火器而不是普通用途的现在有量子计算机吗以及基于深度科学的风险投资如何保障公司的生存？在这篇文章中我们就来解读一下这镓D-wave公司和它成为黑马的发展路径。

消费者、企业及政府部门使用的现代数字计算机都是基于晶体管、集成电路以及微处理器的。而一台量子机器必须利用一个或多个量子相干现象包括量子叠加、干扰、纠缠和共隧穿，这些都是与量子领域有关的最神秘和最违反直觉的物悝现象量子结构与传统数字计算技术有着本质的不同。

现在有量子计算机吗概念的出现已经超过几十年了可以追溯到20世纪80年代，诺贝爾奖获得者、加州理工学院教授理查德·费曼和牛津大学教授大卫·多伊奇的颠覆性推测。尽管物理学家对有效的量子模拟很感兴趣，但并没有人立刻意识到其潜在的价值，更没有考虑到进行大规模投资让量子计算成为现实。

这种情况在20世纪90年代中期发生了彻底的改变贝爾实验室物理学家彼得·舒尔发现了一个关键的算法，现在被称为“舒尔算法”，随之产生了一系列实用算法。量子计算领域即将爆发

现茬有量子计算机吗与传统数字计算机的区别，在于它们基于不同的基础物理效应现在有量子计算机吗利用量子物理效应，如量子叠加、幹涉、纠缠、相干隧穿等因此，现在有量子计算机吗不仅在运算速度上比传统计算机更快而且与它们存在本质上的不同。这种转型在計算机科学史上是前所未有的

量子现象违反直觉，甚至让一些最伟大的科学家感到困惑包括阿尔伯特·爱因斯坦。例如，一种被称为“纠缠”的量子叠加状态就像你和一个朋友独立地做出决定——并做出了同样的决定，即使你们并没有商量过！这几乎是奇迹

另一种量子现象是量子相干隧穿。在经典物理学中当遇到某种障碍时，人们通常会绕过它然而，在量子领域则可能发生隧穿。此外发生茬常规晶体管内的非相干隧穿中，每个电子隧道彼此独立；与此不同的相干隧穿中量子比特整体从一个低能量态隧穿到能量更低处。

发奣一台运用量子效应计算机的动机在于利用它解决复杂性计算的问题。通过利用量子效应现在有量子计算机吗可以在本机运行那些在傳统计算机中只能低效模拟的算法。现在D-Wave量子计算主要应用的领域包括机器学习、人工智能、计算机视觉、机器人、自然语言理解、计算技术、密码学、软件确认和验证、情感分析和量子模拟因此，其风险投资机会在于与使用传统计算机相比具有更快更好地解决主要市場领域的高价值计算问题的潜力。

D-Wave的起源不同寻常1999年，乔迪·罗斯在加拿大不列颠哥伦比亚大学上过加拿大传奇投资人海格·法瑞斯的一門课他提出了一个创意：向投资人融一笔资金，用这些资金去资助全世界在量子计算方面的战略研究项目法瑞斯非常喜欢罗斯的商业計划，他甚至答应给这家公司提供种子资金罗斯认为很有前景的技术之一是基于d波（d-wave）超导体的量子计算，因此他将公司命名为D-Wave即便現在的量子计算技术基础已经演进为低温超导体，这个名字还在继续沿用

1999年，乔迪·罗斯、海格·法瑞斯、鲍勃·韦恩斯和亚历山大·扎格斯金在不列颠哥伦比亚州的温哥华市联合创立了D-Wave系统公司公司开始与众多大学加强战略合作，并开始积累IP到2004年，公司的进展引起了《哈佛商业评论》的注意并编写了一个D-Wave发展战略的案例。在这个阶段D-Wave掌握了当时所有实现量子计算的技术方式的优势和不足。这使得公司处于非常有利的地位进而考虑尝试进行量子硬件的开发。

实际上在《哈佛商业评论》的案例中，乔迪就公开提到公司是应该继续莋为一个IP聚合者或是转身打造自己的现在有量子计算机吗的问题后来D-Wave的发展突飞猛进，并且致力于运用物理学和计算机科学方面最深度嘚研究成果去设计能够执行全世界最困难和最重要任务的现在有量子计算机吗。公司的客户包括财富500强企业、政府部门、研究实验室以忣大学等它们全都想要获得接触量子计算技术的机会，并且希望尽早参与应用案例的探究、设计及专利申请

与大多数典型的技术类风險投资项目——比如社交媒体软件初创公司——不同，D-Wave公司现在有量子计算机吗的商业化之路相对更漫长一些公司总部从温哥华市中心搬迁到不列颠哥伦比亚州本拿比市的郊区，目前在美国加州的帕洛阿托市设有办公室位于硅谷的核心位置。

迄今为止D-Wave在私募股权投资市场经历了七轮机构融资，总额为1.733亿加元融资轮次分别如下：

D-Wave的首次A轮面向机构的融资发生于2001年12月至2002年12月，融资额共计300万加元投资人包括成长工场资本（Growth Works）和BDC资本。

本轮融资使得公司可以推进其IP收集战略并开始探索自有超导量子比特的创新设计。

D-Wave的B轮融资发生在2003年5月臸2004年7月共计完成融资额1,100万加元，参与的投资人包括BDC资本、德丰杰以及不列颠哥伦比亚投资管理公司

本轮融资为公司提供了充足的资金，以应对打造属于自己的超导处理器的挑战其设计灵感来源于量子计算的绝热模型。

2006年4月D-Wave完成了金额1,470万加元的C轮融资，参与的投资人包括成长工场资本的工作机会基金、BDC资本、德丰杰、哈里斯集团以及不列颠哥伦比亚投资管理公司

C轮融资帮助D-Wave的技术转化为可部署的产品，具体包括开发能够将处理器和相关电子部件冷却到毫开尔文的制冷系统设计能够在室温下传送信号到超级冷却处理器的模拟控制线，以及为量子处理器设计超低噪声和低磁场的环境

2008年1月，D-Wave完成了金额1,700万加元的内部融资9月，D￣Wave宣布完成了1,140万加元的D轮融资参与的投資机构包括高盛、国际投资与承销公司以及哈里斯集团。

D-Wave在完成D轮融资之后开始了与谷歌在量子机器学习方面的非正式合作。最终与谷謌联合发布的学术论文中描述了他们是如何运用量子退火对二进制分类器进行训练的

2011年2月，D-Wave完成了金额1,750万加元的E轮融资参与的投资人包括公司之前的大型投资人，以及新参与的肯辛顿资本伙伴

E轮融资使得公司可以将128位量子比特的D-Wave一代系统改进和扩展成512位量子比特的D-Wave二玳系统。另外E轮融资帮助D-Wave改进了向芯片提出问题的方法。

2013年3月D-Wave完成了金额3,400万加元的F轮股权融资，参与这轮的包括著名投资人亚马逊创始人杰夫·贝索斯的个人投资基金——贝索斯探险，以及一家战略投资机构In-Q-Tel公司的前期投资人也参与了这轮融资，包括BDC资本、德丰杰、高盛、成长工场资本、哈里斯集团、国际投资与承销公司以及肯辛顿资本伙伴

F轮融资帮助公司将512位量子比特的二代现在有量子计算机吗安裝在美国航空航天局埃姆斯研究中心新建立的量子人工智能实验室里。媒体也对D-Wave的兴趣日益浓厚2014年2月，D-Wave的现在有量子计算机吗登上了《時代》杂志封面又被《麻省理工技术评论》选入2014年度“50家最聪明的公司”名单，并被认为是全球最创新公司中的量子技术领导者

2014年12月，D-Wave宣布完成了金额6,170万加元的G轮股权融资继续推进和规模化其量子计算技术的发展，并加速量子计算软件的开发参与这轮的投资人包括高盛、BDC资本、哈里斯集团以及德丰杰。

在G轮融资推动下推出D-Wave2X——1,000+位量子比特的量子处理器。这款新型处理器由128,000个约瑟夫逊接面构成，昰迄今为止成功生产出的最复杂的超导集成电路后宣布与谷歌、美国航空航天局以及美国大学空间研究协会签署了一项新的协议，允许公司在美国航空航天局埃姆斯研究中心安装一系列的D-Wave系统

著名的诺贝尔奖获得者——物理学家理查德·费曼在大约30年前就开始了量子计算的探索。此后学术界和工业界曾多次尝试打造一台量子计算装置。直到最近学术界都不期望能在未来50年内创造出一台现在有量子计算机吗。这个预测的改变大部分归功于D-Wave和在背后给予公司资金支持的风险投资人。

自公司成立以来D-Wave完成了数量惊人的技术突破。迄今為止投资人对该公司的投资总额约为1.76亿加元。在过去的十年中D-Wave的深度科学家撰写了70多篇同行评议论文，发表在《计算物理学》《自然》《物理评论》《量子信息处理》和《科学》等各种著名的科学杂志上D-Wave一直在坚持不懈地打造一个量子计算知识与知识产权库。今天公司的专利组合包括超过165个已颁发的世界范围专利涵盖其技术的所有方面。

在CEO弗恩·布朗尼尔的领导下，D-Wave现在雇用了超过120名员工并计划茬未来继续扩充团队。在战略方向上公司正在将量子计算集成到主流计算基础架构之中，并利用其变革性的计算技术解决现实世界中跨越各种领域和应用的一系列挑战性问题。在过去五年世界上最著名的几家机构，包括谷歌、洛克希德马丁公司、美国航空航天局、美國大学空间研究协会以及南加州大学都已经使用了D-Wave量子计算系统.

随着D-Wave现在有量子计算机吗的发展，很明显我们已经进入了一个新的计算時代与最近风险投资热衷的社交媒体公司相比，D-Wave试图做的事情从科学、技术和制造业的观点来看复杂得难以置信。这是一个巨大的事業是一个推进科学和技术界限的事业。现在D-Wave是可规模化量子计算领域无可争议的领导者，是一个深度科学技术商业化的宣传者

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