量子——我相信正在閱讀本文的你一定在相當(dāng)長的一段時間里聽說過這個詞及其派生詞：量子密碼學(xué)，量子互聯(lián)網(wǎng)，量子電動力學(xué)等等，尤其是自 Google 宣布推出 Quantum Supremacy 打造其 54 量子位處理器 Sycamore，以及 Google，IBM，D-Wave，Rigetti 等幾大巨頭之間的量子戰(zhàn)爭開始以來更甚。

說到量子計(jì)算技術(shù)，雖然已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，但其主要是在 2016 年 IBM 通過 IBM 云將其 5 量子位的量子計(jì)算機(jī)開源之后，才引起年輕研究人員及新興初創(chuàng)公司的注意。

起源概覽

一個多世紀(jì)以來，量子物理學(xué)無數(shù)次地困擾著人類。好奇心驅(qū)使著人類探索和理解自然現(xiàn)象的沖動。隨著理論物理學(xué)家進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)并將該學(xué)科的研究進(jìn)程從經(jīng)典轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代后，用實(shí)驗(yàn)證明理論正確性的需求突顯出來。

物理學(xué)家開始感到有必要進(jìn)行極其復(fù)雜的計(jì)，設(shè)計(jì)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC））以實(shí)現(xiàn)非凡的精度，并在有限的時間內(nèi)可持續(xù)地模擬“零誤差”精度的自然和物理范例。多樣的情況對更強(qiáng)大的計(jì)算能力提出了極高的要求。

此外，無法解釋的自然之謎促使 20 世紀(jì)的一些精英科學(xué)家，如保羅·貝尼奧夫，理查德·費(fèi)曼和尤里·馬寧不斷思考，并逐漸理解了基于量子力學(xué)的計(jì)算機(jī)所具有的強(qiáng)大影響力，由此物理學(xué)家和工程師齊心協(xié)力開始創(chuàng)建量子計(jì)算機(jī)。

后來，這個想法流行開來，不僅是物理學(xué)家，化學(xué)，制藥，生物學(xué)，金融，互聯(lián)網(wǎng)，人工智能，網(wǎng)絡(luò)安全等幾乎各個領(lǐng)域的知識分子也開始探索量子計(jì)算的奇跡，這些奇跡可能會在不久的將來應(yīng)用到他們的工作中。

它也會進(jìn)入到我們的生活中嗎？沒錯，教育！麻省理工大學(xué)（MIT），滑鐵盧大學(xué)等大學(xué)以及 EDx，Coursera 等知名在線教育網(wǎng)站開始提供量子計(jì)算（QC）領(lǐng)域的課程和基于概念 / 應(yīng)用程序的衍生課程。

將量子計(jì)算領(lǐng)域形象化

看到這里，或許你會想要了解一些技術(shù)知識。接下來，我們將深入研究該領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

1.量子疊加

你肯定聽說過薛定諤的貓，這就是量子疊加。

如果周圍有硬幣，那么拋擲一次。像往常一樣，你需要等到它掉下來，對不對？但是在該主題下，只需當(dāng)它在空中飛舞時觀察它即可。此時它是正面還是反面呢？

直到它掉下來之前，它既是正面也是反面。這就是量子疊加。以不同比例在同一時間處于多種狀態(tài)！自然就是這樣運(yùn)作的。

另一個小例子——

不考慮重力，浮力，空氣阻力以及現(xiàn)在能想到的任何力?？紤]理想情況。

現(xiàn)在想象一個在兩個垂直相對的點(diǎn) A 和 B 之間振蕩的單擺。該單擺由其所處位置定義。除非（在物理意義上“觀察到”）它在兩個點(diǎn)中的任意一點(diǎn)停止，否則在可變的時間點(diǎn)其都可以由 30％A 和 70％B；50%A 和 50%B；75%A 和 25%B；86.1%A 和 13.9%B 等無限組合來定義。這就是我在上一個示例中提到的“不同比例”。

類似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的“bits（比特）”，量子計(jì)算機(jī)基于“Qubits（量子比特）”。顯然，它們是遵循量子疊加原理的比特：同時為 0 和 1。

因此，就計(jì)算而言，1 個量子比特等于 2 個傳統(tǒng)比特；2 個量子比特等于 4 個傳統(tǒng)比特; 3 個量子比特等于 8 個傳統(tǒng)比特等依次類推。因此，如果將 PC 與 QC 進(jìn)行比較，只需取“2”的“比特?cái)?shù)”次冪即可。

此外，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)沒有電容器。因此，無法僅通過有無電荷將這些比特定義為 1 或 0。量子比特基本上是具有自旋振蕩（量子態(tài)）的電子或原子核。

為了讓這一特性形象化，只需將上例中的鐘擺替換為電磁羅盤不斷偏斜的指針，并將 A 和 B 分別替換為 1 和 0。

你可能已經(jīng)研究了基于金屬氧化物半導(dǎo)體（MOSFET）的晶體管，這些晶體管已成為當(dāng)今多種電子設(shè)備的基礎(chǔ)，包括用來閱讀本博客的電子設(shè)備。還記得摩爾定律嗎？該定律建議高密度集成電路中的晶體管數(shù)量每兩年增加一倍。以這樣的速度增長，我們已經(jīng)達(dá)到了單位為納米大小的晶體管規(guī)模。

但是研究不會就此停止，研究直到對大自然探索到達(dá)頂峰的那一天才會停止，而那一天還太遙遠(yuǎn)。是時候以 Neven 定律來更新摩爾定律了，當(dāng)我們達(dá)到埃斯特朗級別時，我們將以“雙指數(shù)”的規(guī)模增長。

讓我們進(jìn)入量子王國吧！

2.量子隧道

你喜歡魔術(shù)嗎？是否讀過或看過一個人直接穿過一堵墻的虛構(gòu)故事呢？這些魔術(shù)絕不是幻想。它們具有基于量子隧道技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)的可能性。

用技術(shù)術(shù)語來說，當(dāng)亞原子粒子越過勢壘時（例如，電子作為波試圖穿過混凝土墻移動），其有一定的概率在起點(diǎn)處消失并出現(xiàn)在越過勢壘的某一點(diǎn)，在其穿越過程中完全沒有出現(xiàn)在勢壘的內(nèi)部，這就可以稱為經(jīng)歷了量子隧道效應(yīng)。換句話說，能級小于勢壘的粒子能夠穿過勢壘。

這種類似隱形傳態(tài)的現(xiàn)象目前僅限于亞原子粒子，但未來無可限量。

還記得關(guān)于晶體管的討論嗎？電子工程師請做好心理準(zhǔn)備。如果傳統(tǒng)晶體管的尺寸進(jìn)一步減小，電子就能夠隧穿，從而干擾所有電流方向和 V-I 計(jì)算。這種現(xiàn)象在經(jīng)典物理學(xué)中不存在。因此，量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更具優(yōu)勢，即存在某些問題，只有前者才能解決。

3.量子糾纏

想象一下，一個朋友到家拜訪并在網(wǎng)上訂購了兩個比薩餅。兩人的選擇是不同的，但外觀一致。幾分鐘后，比薩盒被送來，但沒有貼上標(biāo)簽。你怎么知道哪個是你的？它們看起來一模一樣。

顯然，你必須任意打開一個檢查。這就是關(guān)鍵。在這種情況下，選擇哪一個的重要性似乎微不足道。當(dāng)你認(rèn)出第一個打開的盒子里的披薩時，你就能確定另一個（前提是快遞員或餐廳沒有搞錯）。

圖源：unsplash

信息傳輸完全沒有延遲！簡單來說，這就是理解量子糾纏的方式。

當(dāng)無法單獨(dú)描述兩個粒子中任何一個的性質(zhì)時，它們被認(rèn)為是糾纏在一起的。在發(fā)現(xiàn)打開的盒子里是至尊異域風(fēng)情披薩時，才能立馬知道關(guān)上的盒子中是招牌雙倍芝士披薩。

同樣，當(dāng)兩個粒子糾纏在一起時，一個粒子的狀態(tài)變化會影響另一個粒子的狀態(tài)變化?？吹竭^雙胞胎嗎？如果其中一個哭了，那么即使另一個離得遠(yuǎn)，一旦看到了她也很可能哭泣或大笑。

在談?wù)摿孔蛹m纏時，無法避免 EPR 悖論。它構(gòu)成了該主題的有爭議的基礎(chǔ)，愛因斯坦將糾纏稱為“遠(yuǎn)距離的怪異動作”。

然而，對許多粒子對（如光子，中微子，電子，在某些情況下還包括大分子）性質(zhì)（如動量，自旋，極化，位置等）的測量表明：即使一對原子彼此分隔很遠(yuǎn)，也能獲得令人滿意的結(jié)果。這證明了量子糾纏的想法。

考慮到所有因素，例如信息傳遞，遠(yuǎn)距離測量，逆波函數(shù)崩潰（這可能在“測量”屬性并擾亂了整個糾纏的粒子對系統(tǒng)時發(fā)生）等，量子糾纏的優(yōu)勢被認(rèn)為是正確的，但是人們堅(jiān)信相對論并沒有受到它的挑戰(zhàn)，即沒有任何信息或邏輯傳輸?shù)乃俣瘸^光速。

你可能已經(jīng)猜到了，量子糾纏的一個重要應(yīng)用就是量子互聯(lián)網(wǎng)。

量子計(jì)算的應(yīng)用

討論了基礎(chǔ)知識之后，我們來看一下全球范圍內(nèi)量子計(jì)算的一些應(yīng)用和當(dāng)前趨勢。

1.量子機(jī)器學(xué)習(xí)

過去二十年來，工程師和企業(yè)家對人工智能的興趣呈指數(shù)級增長，這主要是因?yàn)椤?a target="_blank">黑客帝國》這類電影的出現(xiàn)。存在于每個熱愛探索的人內(nèi)心的無法克制的渴望驅(qū)使他們致力于建立更好的計(jì)算設(shè)計(jì)和算法，以更深入地探索自然和宇宙的奧秘。

人工智能是指機(jī)器通過某種方式試圖模仿人類的心理和決策過程時表現(xiàn)出的“聰明”的行為。機(jī)器學(xué)習(xí)只是創(chuàng)建和增強(qiáng)智能的方式，類似于人類的智力學(xué)習(xí)。

幾十年來，基于理論方法和啟發(fā)式（深度學(xué)習(xí)）的研究一直在增長。從樸素貝葉斯到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，整個機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域無論是在數(shù)據(jù)獲取，算法開發(fā)還是計(jì)算能力方面都經(jīng)歷了指數(shù)級增長。

圖源：daimler

學(xué)生和產(chǎn)業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)對于探索和實(shí)施量子工程解決方案以增強(qiáng)計(jì)算能力的興趣已經(jīng)大大提高。

量子計(jì)算在兩個方面使 AI 受益，反之亦然。

一方面，量子計(jì)算機(jī)具有執(zhí)行超快速線性代數(shù)的能力，這構(gòu)成了機(jī)器學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)。這些量子加速計(jì)算是在狀態(tài)空間上隨量子位成指數(shù)增長的，這是第一代量子機(jī)器學(xué)習(xí)（QML）。第一代包含有監(jiān)督和無監(jiān)督學(xué)習(xí)應(yīng)用，例如主成分分析，k-means 聚類和推薦系統(tǒng)。這些算法對量子數(shù)據(jù)的執(zhí)行速度為指數(shù)倍數(shù)。為了對經(jīng)典數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，首先需要將其嵌入量子態(tài)。

第二代 QML 也隨著噪聲中級量子（NISQ）處理器的出現(xiàn)而出現(xiàn)，并且基于啟發(fā)式方法。對它們的經(jīng)驗(yàn)研究可以借助量子硬件強(qiáng)大的計(jì)算能力來進(jìn)行。就像深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的發(fā)展一樣，第二代是量子機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的發(fā)展。

你此時期待量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嗎？如果是，你是對的。QNN 是 QML 中模型構(gòu)建，訓(xùn)練策略和推理方案的基礎(chǔ)。Google 的 TensorFlowQuantum 白皮書是可在互聯(lián)網(wǎng)上找到的用于 QML 的最精彩的資源。

另一方面，量子計(jì)算機(jī)最初是為了探索和模擬自然 / 物理學(xué)的奇跡而開發(fā)的，它們現(xiàn)在還用于增強(qiáng) AI。當(dāng) QC 和 AI 領(lǐng)域的天才聯(lián)合時，模擬自然范例的想法就出現(xiàn)了。

對某些現(xiàn)象的模擬，例如分子間鍵合，離子相互作用，放射性衰變，核反應(yīng)，衛(wèi)星通信，以及諸如組合優(yōu)化之類的更多實(shí)例，如果使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成需要花費(fèi)數(shù)年的時間，而同時使用量子計(jì)算硬件和量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法則可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成仿真。

2.后量子密碼學(xué)

當(dāng)前的加密技術(shù)基于 RSA 之類的算法，負(fù)責(zé)保證當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)空間的安全性。網(wǎng)絡(luò)，信息傳輸，實(shí)時通信，在線金融交易等均受其保護(hù)。

加密技術(shù)基于兩個方面：密鑰和加密算法。想象一個數(shù)字，它是兩個質(zhì)數(shù)的乘積。假設(shè)是 35。此時，加密算法是簡單的乘法，密鑰是質(zhì)數(shù)因子 5 和 7。該過程構(gòu)成了 RSA 算法的基礎(chǔ)。

很容易吧？但是這里出于理解目的，只是一個兩位數(shù)。如果有一個只有兩個質(zhì)數(shù)的 7 位數(shù)字怎么辦？你仍能迅速解出答案嗎？

在現(xiàn)實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)安全中，RSA 使用的數(shù)字量很大（2048 位），這表明目前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法在正常人的壽命時長內(nèi)破解它！因此，RSA 加密數(shù)據(jù)非常安全，不會被黑客破解。

但是，如果量子計(jì)算機(jī)試圖破解它該怎么辦？盡管目前的量子計(jì)算機(jī)還沒有這樣做的能力，但根據(jù)不斷發(fā)展的趨勢，我們可能會在三十年內(nèi)擁有頂尖的量子計(jì)算機(jī)。這就是由量子計(jì)算機(jī)帶來的對現(xiàn)有安全系統(tǒng)的威脅。

為了解決這個問題，后量子密碼學(xué)（PQC）出現(xiàn)了，即使是量子計(jì)算機(jī)也無法破解基于 PQC 的加密。PQC 基于攜帶偏振光子的信息傳輸。它為竊聽者提供了數(shù)百萬種可能性，因此使其幾乎不可能被破壞。

當(dāng)前的量子計(jì)算

前量子時代（當(dāng)前）的主要亮點(diǎn)

初創(chuàng)企業(yè)的出現(xiàn)：意識到了量子計(jì)算的巨大潛能，眾多企業(yè)家走到臺前，并基于其在多個領(lǐng)域（存儲，安全性，云計(jì)算，科研等）的技術(shù)來建立初創(chuàng)企業(yè)。

量子計(jì)算領(lǐng)域的主要算法

·Shor 算法

·Grover 算法

·Deutsch-Jozsa 算法

·Bernstein Vazirani 算法

?Simon 算法

開源研究工具和社區(qū)的發(fā)展

·https://github.com/rigetti/pyquil：使用 Quil 進(jìn)行量子編程的 Python 庫。（由 RigettiComputing 提供）

·https://www.tensorflow.org/quantum：TensorFlow Quantum（TFQ）是一個量子機(jī)器學(xué)習(xí)庫，用于對組合量子—經(jīng)典 ML 模型進(jìn)行快速原型構(gòu)建。（由 Google 提供）

·https://qiskit.org/：Qiskit 是一個開放源代碼的量子計(jì)算軟件開發(fā)框架，旨在于科研，教育和商業(yè)中利用當(dāng)今的量子處理器。（由 IBM 提供）

·https://qiskit.slack.com/#/：Qiskit 社區(qū)休閑頻道

可以預(yù)見，在未來，量子計(jì)算還會有更多超出我們想象的功能和應(yīng)用。

審核編輯 黃宇