原创 | 厚积已至，薄发在即——Best timing for 量子计算
前言
如果说上学期间什么比数学还要让我痛苦，那一定是物理。
物理这门学科，让我清晰的认识到了人类智商的参差，它熬掉了莘莘学子们茂密的秀发，熬出了一道又一道忧伤而深刻的抬头纹。
量子物理对美男子普朗克的影响
如果说哪门学科比物理还要让我难过，那一定是编程语言。我还清楚的记得那些年写作业的绝望和抱到大腿后的如释重负（再次对各位大腿表示感谢！）。
所以当我转行防秃后却发现要看量子计算项目的时候，我是很慌张的。万万没想到有生之年还要向物理和计算机的综合学科献出我的秀发。
但在“自强不息，厚德载物”校训的激励下渡过劫的我不可能就此认输，看书、查资料、继续抱大腿（们）的我，渐渐对量子计算有了些许认识，而且越研究越觉得有趣，真实的感受到了量子计算行业的快速发展。
为了不愧对自己东流去的青丝和研究过程中大腿们悉心的指导，遂关于量子计算做一小结，供大家参考批评。
大概分为以下几个部分：
一、 什么是量子计算
二、 为什么要发展量子计算
三、 如何实现量子计算机
四、 量子计算现在发展到了什么阶段
一、 什么是量子计算
1、量子计算源于量子力学
量子力学起源于1900年，由德国科学家普朗克（就是上面那位曾经的美男子普朗克）提出。此后，爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利、玻恩等人都在这个领域留下了浓墨重彩的一笔，并因此得到了诺贝尔奖计入历史史册。量子力学作为20世纪物理史上最重要的成就之一，到今天为止它的基本数学形式已经被创立了超过90年。它在每一个领域内都取得了巨大的成功，和相对论一起成为了支撑物理学的两大支柱。
（所以量子阅读是骗局，但量子力学不是！量子力学不是！量子力学不是！）
史上最群星璀璨的照片没有之一
二十世纪量子力学的创立和发展引发第一次量子科技革命浪潮，以认识和掌握微观物理现象和规律，调控和观测宏观物理量为主要特征，诞生了以半导体、激光器、计算机和光通信等为代表的信息通信技术，提供了信息获取、存储、处理和传输的基础介质和解决方案，形成了现代信息社会的物理层使能技术，成为推动经济社会发展变革的先进生产力。
进入二十一世纪，随着人类对微观世界认识理解的深入和观测调控能力的提升，以操控光子、电子和冷原子等人造量子体系，利用量子叠加、纠缠和隧穿等独特微观物理现象为主要特征的第二次量子科技革命浪潮将至。
2、量子计算与经典计算
量子计算利用量子态的叠加性和纠缠性信息的运算和处理，其最显著优势在于“操作的并行性”，即多个叠加态的量子信息进行一次变换，相当于对多个量子信息同时进行操作。不同于传统计算机，量子计算机用来存储数据的对象是量子比特；不同于传统计算机，量子计算机用使用量子逻辑门进行信息操作，如对单个量子操作的逻辑门：泡利-X门，泡利-Y门，泡利-Z门和Hadamard门等；对两个量子操作的双量子逻辑门：受控非门CNOT，受控互换门SWAP等等。
这些量子的逻辑门的操作可以看做一种矩阵变换。Hadamard门可以将一个量子态变成两个量子态的叠加状态。形象地说，猫生的状态通过Hadamard门转换成生和死的叠加态（概率为状态幅度的平方，概率各为50%）。这种性质十分有用，是实现并行计算基础，可以将N个输入数据转换成一个叠加的量子态，一次量子计算操作，相当于进行了N个数据操作，即实现了N次的并行，量子算法正是利用这些量子逻辑门的变换特性。
经典计算机里面，用高低电压来代表1或者0来进行计算，在量子比特里面用量子态来代表这个信息，可以用0这个量子态或者1这个量子态来代表0或1，量子比特本身遵从量子力学的叠加原理，还有它的纠缠原理，所以一个量子比特可以处于0和1的叠加态上，N个量子比特实际上可以处于2的N次方这样的量子态的叠加态上。量子态的数量跟量子比特的数量呈指数关系，增长速度非常快。
二、 为什么发展量子计算
人类的算力的需求是无限的。
随着人类对算力要求的不断提升，芯片原件的集成度不断提高。芯片元件集成度的提高一方面会导致单位体积内散热增加，产生“热耗效应”；另一方面元件尺寸不断缩小，在纳米甚至埃尺度下经典世界的物理规律不再适用，出现“尺寸效应”。
在CPU满足不了需求之后GPU应运而生。进一步发展必然要进入量子计算时代。CPU 算力随比特数 n 的增长呈线性 n增长，GPU 算力随比特数 n 的增长呈平方次 n×n 增长，而“QPU”算力随比特数 n 的增长呈幂指数 2n增长。
量子计算机的强并行性。这是量子计算机相比传统计算机的显著优势，量子计算机和量子算法相互结合，可以将计算效率进行二倍加速甚至指数加速，例如传统计算机计算需要1年的任务，使用量子计算机可能需要不足1秒的时间。
举两个例子：
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（1） 利用Shor算法解决大整数素因子分解难题
将两个大的质因子相乘容易，但将它们相乘的结果分解为两个素因子十分困难。1994年，应用数学家Shor 提出了一个实用的量子算法，通常称为Shor算法。它的出现使得大整数分解问题在量子计算机中在多项式时间内解决成为可能，相比经典算法，Shor算法相当于进行了指数加速。算法主要思想是将整数质因子分解问题转化为求解量子傅里叶变换的周期，将多个输入制备为量子态叠加，进行并行处理和操作，从而达到了量子加速的目的。
在实际应用中，2001年，IBM公司的研究小组首次在开发的核磁共振量子计算机中使用Shor算法，成功将15分解成3×5，这一成果引起业界广泛的关注和讨论。理论上，一旦更多量子比特的量子计算机研究成功，对于1000位大整数，采用 Shor算法可以在不到1秒内即可进行素因子分解，而采用传统计算机分解需要1025年。由此可见在量子计算机面前，现有的公开密钥 RSA体系不再安全。
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（2） 利用Grover算法解决搜索问题
从多个未分类的元素中寻找出某个特定的元素。对于该问题，经典算法逐个进行搜寻，直到找到满足的元素为止。1996年，计算机科学家Grover提出一个量子搜索算法，通常称为Grover算法。相比传统算法，它进行了二次加速，再次体现了量子计算并行带来的高效优势。举一个直观的例子，若要从有着100万个号码的电话本中找出某个人的号码。经典方法是逐个地进行搜索，平均需要搜索50万次才能找到正确的号码。而采用Grover的量子算法，它会首先将100万个号码制备为量子叠加态。然后在制备的量子叠加态上通过反复执行量子操作的迭代，每一次迭代，它将放大正确的态（寻找的电话号码）的概率，同时减少非正确的态的概率。
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三、 如何实现量子计算机
说了这么多，那么到底要怎么做量子计算机呢？
简单来讲，有三个要求：首先要有一个量子比特，接下来要有一个高保真度的量子操作（所谓的量子操作可以类比成经典计算机里面的非门、与非门、或门这些基本的门操作），最后，因为要执行一个有价值的算法，还需要足够多的量子比特来进行运算。
现在人类已经挖掘出来非常多的体系，能够作为量子计算的载体，包括离子阱、光子、超导量子比特，还有概念非常前沿的拓扑量子计算，以及N-V色心类似的点缺陷，都可以用来做量子计算。这些体系有各自的优缺点，目前来说发展比较快的还是超导量子比特和离子阱。
超导的量子比特是由约瑟夫森结构建，由两边的超导铝以及中间夹的一层绝缘体氧化铝组成。在初始状态下系统是断开的，中间由绝缘体隔开。在极低的温度下（小于1k）时整个系统变为一个超导体，出现量子隧穿效应，电流可以穿过绝缘层。并且由于约瑟夫森结存在量子效应，系统的电流不是连续的而是量子化的。通过微波可控制不同的电流实现0态1态间的转换。每个约瑟夫森结可通过参数的调整做出不同的本征频率，外加的不同的频率就可以调控不同的量子比特。
约瑟夫森结示意图
超导量子比特最重要的一个优势，在于它是类似电路的结构，可以采用传统集成电路的工艺，来帮助它快速地实现大规模量子比特系统的印刷和制造。
离子阱路线是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子的运动，将受限离子的基态和激发态两个能级作为量子比特。量子态被存储在单个离子阱中，并从其中读取信息。量子比特可以通过它们在阱中的运动直接相互作用，也可以通过光和微波的发射和吸收相互作用。
离子阱量子计算具有量子比特品质高，相干时间长、量子比特制备和读写效率高的优点。然而，离子阱技术也面临不少问题，由于外加激光不稳定，电磁场噪声导致量子比特相干性弱化，而且离子阱难以多条离子链共存，可扩展性差。
四、 量子计算现在发展到了什么阶段
量子计算行业已进入快速发展期
近年来，量子信息技术逐步被各国政府认定为重要的战略性技术趋势和方向之一,市场前景巨大。包括麦肯锡、Gartner、波士顿咨询等国际著名咨询公司一致预计量子计算（QC）在未来十年会稳步发展，在2030年左右迎来爆发。近年来各国政府已开始对此方向积极投入，而且规模在急剧增加。国际科技巨头积极布局，Google、IBM、微软等公司在此领域已经投入近10年，量子计算对他们而言已上升至公司未来战略的高度。此外，传统行业公司对量子科技兴趣也在不断增长，一系列的初创公司正在蓬勃兴起中。
政策方面
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美国自2002年开始制定相关的政策及规划，英国、荷兰、德国、欧盟也陆续制定了相关政策，投入大量资金进行量子信息技术研究。2019年以来，日本、印度、以色列、俄罗斯纷纷宣布投资量子计算技术，投资额均为10亿美元级别。
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2020 年 10 月 16 日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。
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2020年11 月 3 日，十九届五中全会发布的“十四五”规划建议中，进一步提出：瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
社会意识方面
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2021年3月1日，教育部将量子信息科学列入本科生专业名单。
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2021年5月24日，清华大学量子信息班正式成立，图灵奖得主姚期智院士担任首席教授。这是国内首个量子信息方向的本科人才培养项目。
技术发展方面
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2019 年 Google 报道取得了“量子优越性”实验的突破性成果，成为量子计算领域发展的标志性事件。
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2020 年 9 月 IBM 发布路线图，预计 2023 年将实现超过 1000 位量子物理比特，之后向百万级量子物理比特迈进。
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谷歌
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IBM
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其他
英特尔、霍尼韦尔和微软也都在量子计算领域发力，每年都有一些成果推出。除巨头外，D-WAVE、IonQ（已于今年上市）、Rigetti、Xanadu等初创公司也成为推动量子计算技术和产业发展的另一重要力量，不断吸引各国政府、产业巨头和投资机构的资金注入。
国内阿里、华为、腾讯、百度四巨头也都设立了相关部门对量子计算进行研究，本源、量旋、昆峰等初创企业，在软硬件研发、生态建设方面与全球先进水平仍有一定距离，但发展势头和前景良好。
来源：中国信息通信研究院根据公开信息整理（截至2020 年10 月）
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对比电子计算机的发展，量子计算行业是一个前景非常巨大的行业。硬件部分包括底层的基础物理器件，以及量子芯片、传感器件、精密测量仪器等的物理系统。软件部分包括编程语言、指令集、编译器、量子纠错算法、体系结构及异度调度等，以及量子模拟、量子加速、量子机器学习等多种量子算法体系。最下游的应用在大类上可分为算力提升部分和微观结构模拟部分。每一个细分领域都蕴藏着巨大的机会。
量子计算机最有希望的应用前景之一是模拟物质在分子状态的行为。像大众汽车和戴姆勒这样的汽车制造商正在使用量子计算机模拟电动汽车电池的化学成分，希望可以帮助找到改善其性能的新方法，而制药公司利用它们来分析和比较可能创造出新药的化合物。量子计算机也非常适合用于优化问题的解决方案，它们可以非常快速地处理大量潜在的解决方案。例如，空中客车公司正在将其应用于帮助找出飞机最省油的上升和下降路，而大众汽车公布了一项服务，即计算出城市公交车和出租车的最佳路线，以尽量减少拥堵。一些研究人员还认为量子计算机可用于加速人工智能的发展。
写完正经的部分，想再聊聊自己的一些想法。
近百年来中国的科技发展一直是跟在西方发达国家后面，包括量子计算也是，行业内所有知名的学者最初都是欧美留学回来的。但在中美关系僵持的今天，再靠西方为我们培养人才已经不可能了。而反观国内的科研和教育环境，整体来说评价模式单一、缺少产业落地场景，很难吸引高精尖的人才。作为材料毕业生的我，深深体会到越是研究尖端科技的学生就业其实越是问题。就业难、就满意的业难的问题迫使天坑专业的学生纷纷自谋生路，多年的学习与研究都不得不清零，一切从头再来。作为学生找工作找得痛苦，从社会的角度看其实也是很大的损失。
为了搞懂量子计算我一直在和各种朋友们聊，机缘巧合联系到了母校叉院的一位量子计算在读博士，开始了对大佬几个月的持续骚扰。
印象很深刻的一件事是，有一次聊到兴起，大佬激动的说起了自己对科研的理解：“物理是什么？是实验科学！我要是做出了一个实验结果，和爱因斯坦的理论相悖，我就能说爱因斯坦是错的！因为这就是真相！这就是科学！”在电话另一端的我不由自主的鼓起掌来，感觉看到了新一代为中华崛起而读书的青年之光。觉得科研真的是一件热血而伟大的事情，也为自己能在这个领域做些微小的工作而感到自豪。
谁知不久后，收到了大佬的消息“我准备去当公务员了。”
作为天坑专业转行的一员我完全能理解，用爱发电真的很难持久，很多时候还是要向现实低头，但还是有些难过。
希望国家对于科研的重视可以再多一点点，科研人员的待遇可以再提升一点点，也希望产业可以尽快发展，让选择了未来学科的学子们，可以真的走在当初选择的未来的大道上。也衷心地希望大佬可以重新考虑一下，继续那份赤诚的对科研的爱与热情。
本文作者：冯今，分享投资投资经理，清华大学材料科学与工程学士、硕士；东京工业大学材料科学与工程硕士，主要关注硬科技投资方向。
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