算法系列：量子計算與量子通信

現在學界的主流意見是，在可見的未來，不會。

無論從現有的理論還是從實際來看，在短期内(50年？）量子計算機都不會完全取代現在的電子計算機。更可能的是兩者共同繁榮。

學術界目前的主要研究方向也是這樣，用量子計算機去運作特定的程式，在傳統計算機吃力的領域出力就行了。

原因有兩方面。

1）首先從量子算法理論來看。量子計算機需要特定的量子算法才能發揮出量子計算的強大威力。但是，并不是所有的計算都可以用量子算法加速。雖然量子算法絕不會比傳統算法慢，但能像Shor算法和Grover算法那般完全超越傳統算法的其實比較少見。不少問題上我們暫時都還沒有得到很好的量子算法。

（不過，人工智能/機器學習裡很核心的優化（optimization）過程卻很幸運地與量子計算是天作之合。這個之後再說。）

2）再從實踐來看。Dwave這家量子計算機公司開發了世界第一款商業量子計算機。但實際上，這款量子計算機不是通用量子計算機，并不能運作所有的量子算法。Dwave實際上是一台量子退打火機（quantum annealing machine）。它的主要工作方式是調整伊辛模型的參數來構造滿足某優化問題所對應的量子态，再用量子退火算法來求解。（Google願意花1000萬美金買一台Dwave，再建立Quantum AI Lab就是看中了Dwave在人工智能上的強大功能。目前512qubit機所模拟的最複雜的人工智能問題都能在1s左右解決。）

通用量子計算機是一個超出目前科技水準太多的技術。以至于大多數科學家更願意研究具有特定量子結構的量子計算機，用來執行特定的量子計算功能。比如說Google有一項量子計算需求，就為此配一台能專門完成這項量子計算的量子計算機就能運作的很好，搞不定的部分再交給電子計算機處理分工處理就行。

想一想量子退打火機尚且要在20mk的溫度下才能運作。通用量子計算機得多麼複雜、精密且昂貴，而且至今沒有好的方案。量子點、核磁共振、量子光路、超導環等所有可能的途徑都有科學家在研究。

為了闡述結論，這個答案主要針對的是量子計算機目前的缺陷。

最後也說一點正面的，免得想把做量子計算的小朋友們吓跑了。。

因為通用量子計算機困難很多，是以量子計算機是很難全面取代傳統計算機。

量子算法相比經典算法有天然的優勢。量子算法的上限和潛力遠高于經典算法。

一方面，就是因為0和1可以被一個量子比特同時儲存，一個量子比特需要用兩個數描述其疊加态。N個量子比特可以儲存2^N個數，算一算2^N可以是N的多少倍。如果未來出現一台量子計算機的算力超過地球上所有經典計算機之和請不要覺得奇怪。

另外一方面，量子計算機是可逆計算機。這是許多人會忽略的一點。經典計算機則是不可逆計算機。不可逆計算過程每一個比特的操作都會有熱損耗。內建度越高，散熱越困難。摩爾定律會在7nm左右時停下，最多還有十年，這是業界的普遍觀點。摩爾定律失效後，提高計算能力隻能靠堆積核。這種靠堆積帶來的計算能力上限也很低，能耗又高，又不能小型化。如果像突破經典計算機的極限，我們必須要攻克量子計算機這個難題。量子計算機意味着：無能耗。能做多小做多小。一個計算能力超過經典計算機之和的量子計算機隻需要一顆紐扣電池就能驅動也是理論上可行的。一塊手表的計算能力甚至可以超過超級計算機，而且隻需要一塊紐扣電池就能驅動它了。（這是因為，量子邏輯門操作全部是可逆變換。整個過程不産生熱量。是以理論上，耗能可以降到極低。）

但是，當資料太大時，Google之類的企業會很願意使用具有特定量子功能的機器。現在需要超級計算機的地方，目測會成為未來量子計算機首先投入使用的地方。

雖然有種種困難，但是大家普遍認為量子計算很快（10年）就能在人工智能領域發揮作用了。因為量子退打火機Dwave可以在人工智能領域完全地發揮出量子計算功能。這也是Google建立Quantum AI Lab的主要原因。

在自然科學領域，量子計算可以很高效地模拟諸多自然過程，會成為相關領域科學家的一大利器。是以用量子計算機模拟自然現象有着巨大的吸引力。

還有一點很重要的，2008年我們才知道，基于量子邏輯門的标準量子計算與絕熱量子計算（adiabatic quantum computation）是等價的。我們可能不需要按照傳統計算機一樣做出邏輯門就能進行量子計算。而量子退火就是絕熱量子計算過程——制備量子态，等其絕熱演化到基态，基态直接就能給出計算結果。想一想這是多麼恐怖的計算能力，大自然本身就是絕佳量子計算機。自然演化就是計算結果。這種絕熱量子計算方式甚至不需要我們建構量子邏輯門。

【Lloyd S. The universe as quantum computer[J]. arXiv preprint arXiv:1312.4455, 2013.】

是以，Dwave也有可能在未來被改進成能順利執行所有量子計算功能的通用型量子計算機。這給我們帶來了新的曙光。

【Aharonov D, Van Dam W, Kempe J, et al. Adiabatic quantum computation is equivalent to standard quantum computation[J]. SIAM review, 2008, 50(4): 755-787.】

量子算法還可以分分鐘暴力破解銀行密碼。這個大家都知道。

随着人類的資料量越來越大，大概會有多種類型的量子計算機走入我們的生活。當然，目前來看我們還是始終還是需要一台簡單的通用電子計算機。

量子計算機雖然短期内不能取代經典計算機，但卻是人類科技文明的一個裡程碑，是未來科技的引擎。

相關答案：怎樣看待中國即将發射的量子科學實驗衛星？ - 知乎使用者的回答

ps.這次這篇量子計算機的答案算是最近寫得最周全的一篇，能給出一個概貌。之前的答案大多都是隻描述了一個方面。最好是綜合起來看。

歡迎糾錯。

怎樣看待中國即将發射的量子科學實驗衛星？

作者：Summer Clover

連結：https://www.zhihu.com/question/26804116/answer/34114840

來源：知乎

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先說點樂觀的故事。

人類曆史上第一顆量子衛星。當然有重要的象征意義。

我的印象中奧地利的量子通信衛星本來應該先上馬的，但是似乎歐洲各國在經費的問題談崩了。于是我們的這顆量子通信衛星就成了第一。這就是大國的優勢吧。

美帝為什麼不上？美帝的重心一直在量子計算上。

量子通信和量子計算是量子力學應用的兩大方向。我國在量子通信領域的領先也有重要的實際意義。

先是一顆衛星，之後會越來越多，由點成網。全球量子通信網形成之後，我們差不多就可以在地面上任意兩個地方進行量子通信了。

最近幾年量子通信發展很快，似乎是突破了瓶頸。

常人印象中量子通信還很遠，但是實際上量子通信從原理到技術基本上都沒有什麼障礙。我大學的時候都玩過量子通信的實驗。傳輸了一個彩色圖檔，以我那個渣技術失真率都隻有百分之二。

最近幾年的重要進展就是量子通信距離不斷重新整理，量子通信終于可以走出實驗室了。兩年前的記錄大概就是好幾百公裡了。（刷到這個記錄就刷了好幾篇Nature...）

達到這個記錄後，中科大的潘建偉教授立刻就開始籌備量子通信衛星的計劃，這個記錄已經夠衛星上天玩了。

【雖然沒上過潘教授的課（當年真應該去蹭的！），但也幸運地聽過他好幾次講座。好幾個同學都在他組裡做過科研。潘建偉教授在量子通信上的研究應該中國基礎科學領域數一數二的成就，在國際上也是量子通信領域泰鬥級人物。有興趣地可以百度一下。】

60周年國慶節上的通信就用上了量子通信。

城域量子通信網也首先在合肥建成。

是以，從原理、技術、經費上，量子通信的障礙都差不多掃清了。就等着【量子星座】挂上星空。

量子星座這名字也取得不錯嘛 haha

再說一點不那麼樂觀的。

1）量子通信最重要的就是保密性了.. 是以，根據一位在潘組裡的同學所述，目前不看好量子通信走入大衆生活。政府完全沒有普及量子通信的動力，都保密了還怎麼監聽啊。

不是在黑中共，美帝也一樣，最多不會那麼張揚。大政府的惡習。

2）量子通信和量子計算本自同更生，但是重要性真是差遠了。

很簡單的地點，聽到量子通信衛星，大家大概是眼前一亮。要是2016年商用量子計算機來了，我會覺得天堂落入人間了。

我在量子計算機有什麼實際的應用意義？ - 知乎使用者的回答這裡寫到的：

量子計算機會成為未來科技的引擎，是打開無限可能性的鑰匙。

商用級量子計算機具有難以估量的學術價值和工業價值。

對人類文明來說，它是真正的一大步。

我想題主更在意是其工業價值。

最直接的應用當然是，各種量子算法終于可以運作，可以商用化了。

目前為了運作某些量子算法，我們隻能在實驗室裡造出特定的量子計算結構。而且這種結構一般都費時費力費錢。

一台計算機上可以運作各種程式在大多數位農眼裡應該是顯然的。但要造出一台可以實作各種量子算法的計算機非常困難。

假如現在我們可以造出商用級量子計算機，我們就可以在它上面運作各種量子算法。

1.這時，從Google這類行業頂級公司開始，幾乎所有經典算法都會被其對應的量子算法替代。量子算法在處理許多任務時都會比經典算法有極大提升。

量子計算機的确是隻在處理某些運算時有優勢，但是這些運算實在是太基本了，以至于無處不在。

比如說幾乎無處不在的希爾伯特空間，隻要遇到它，基本上都有對應的量子算法。

是以實際上，量子計算機可以運用在許多類型的任務中。所有大公司都不會也不能錯過這種技術。

2.一些經典算法不可能完成的任務，量子算法卻可以輕松搞定。

比如說，用量子算法的Google可以在“不知道”你的問題的情況下，就給出搜尋結果。你的搜尋記錄将完全保密，連Google都不知道。這是由于量子不可克隆原理。

還有很多違反直覺的任務可以完成，因為量子力學本來就是違反人類直覺的。

3.計算能力的巨大提升+不可能任務的可能化=...？

這種時候就不要吝啬自己的想象力了。

想想機器學習在二十年前的落寞和現在的春風得意。二十年前機器學習在工業界很難找到使用價值，因為那時的計算能力實在太爛了。學習算法在train set測試一下都要幾個月的話，誰還有時間調參數啊。

這二十年間，計算機結構不變的情況下，機器學習就已經強大了這麼多倍。

想一想，假如我們獲得比現在強大的多的計算能力，一個強大到我們無法想象的帶量子任務處理的強AI是不是指日可待了？

【Google去年5月和NASA合建了Quantum AI Lab. 量子人工智能，聽名字就很帥啊！】

當家家戶戶都有一台量子計算機，網際網路又會進化成什麼形态？

一句話，商業級量子計算機會成為未來科技的引擎。

就像蒸汽機是工業文明的象征一樣，量子計算機帶來的計算能力的突破将會有類似的意義，它是人類邁過那7nm鴻溝的橋梁。

我甚至覺得，在我們獲得量子計算的強大能力後，強人工智能就将實作。

量子計算機+量子算法威力無窮，不過，又要40年。喂喂，上個世紀好像也是這麼說的！

3）量子力學差不多100歲左右了。

人類還隻能做到這種程度而已，真是很遺憾。

我們還完全沒有消化上個世紀初基礎科學大爆發的成果。所有的原理都擺出來了，我們還是花了100年的時間，終于才有了第一顆量子通信衛星。

量子力學的重要應用——量子通信和量子計算的理論基礎早已穩固，但是這兩者到現在離商業化都非常遙遠。人類第一顆量子通信衛星兩年後才升天，最好的量子計算機還隻能解最簡單的線性方程組。

從曆史上來講，科學革命後技術革命就會跟着爆發。

【什麼是科學革命？請點選：為什麼19世紀末世界誕生了如此多傑出的，其研究成果具有劃時代意義的實體學家？ - 知乎使用者的回答】

幾乎每個人都感覺到最近數十年來技術革命對這個世界的影響。但其實，我們還隻消化了量子技術的很小的一部分。現在電子計算機晶片裡的量子效用已經無處不在了，但這也隻是開始而已。

商用量子計算機才是真正的豐碑。變革一切的力量。

當腦容量300的時候，我們隻是猴子，當腦容量1500的時候，我們創造了文明。

但計算機還是經典計算機的時候，它就隻能推薦一下商品。當它的計算能力時是現在的一萬倍，一億倍，甚至？？？？倍時，它會幹什麼？

我的意思是，它想幹什麼？

量子革命和計算革命都才剛開始呢。

我們離第二次技術革命的終點還很遠很遠很遠...

（第一次技術革命是工業革命。）

原文釋出時間為：2016-08-10

本文作者：Summer Clover

本文來源：

部落格園

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