未來已來？揭開量子計算機的神秘面紗

從第一台現代計算機ENIAC的誕生到個人PC時代的降臨，從網際網路概念的提出到移動互聯的疾跑，在這個資訊年代裡，變革正以前所未有的速度改變着我們熟悉的世界、熟悉的生活。

作為個人，我們早已習慣于智能計算裝置的加持，刷微網誌逛淘寶，聊微信玩遊戲，種種如此；作為國家，小到政務系統、天氣預報，橋梁受力分析，大到宏觀經濟預測、地震海嘯預測、飛彈火箭航迹模拟，無一不依賴于超計算裝置的海量運算。從個人的衣食住行，到國家的政治、經濟、國防建設，我們如此的依賴的計算能力卻遭遇了瓶頸，計算機的能源效率與排放問題，以及現有計算機體系發展的局限性，正與我們日益增長的計算能力需求形成難以調和的沖突，掣肘世界發展。然而，量子計算機的快速發展仿佛一道曙光，這一晦澀難懂的新技術是否能夠引領新一代的資訊革命？他又會對我們的生活産生多大影響？商業級量子計算機的問世是否宣判了經典計算機的死刑？

是否，未來已來？

為什麼選擇量子計算機？

從摩爾危機到量子計算

Intel創始人之一戈登·摩爾在上世紀60年代提出：當價格不變時，內建電路上容納的元器件數目，約隔18-24個月便會增加一倍，性能也将提升一倍。簡言之，即計算機的性能以十八個月翻一番的速度不斷發展，這一内容在之後的半個世紀不斷被觀測與證明，是以被人們稱為摩爾定律。我們可以很清楚的從下圖看出，摩爾所做的推測與觀測基本相符，CPU中半導體的數量（衡量計算機性能的重要名額之一）随時間成指數級增長。

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也許，你會認為萬事大吉，就按照摩爾定律，計算能力将會得到無止境的增長，而我們要做的隻是進一步降低半導體的大小，進而內建更多的半導體，然而，問題随之而來：

1. 半導體的大小不能無限小：随着工藝技術的提升，我們能夠将半導體加工到納米級别，但是如果半導體不斷減小會怎樣？它很快就會變成一個原子大小，而任何納米管和傳統工藝都将對此毫無辦法。從下表可以看到，從2000年以來的十多年間，半導體尺寸迅速下降，內建半導體數量迅速提升，但這中通過不斷降低半導體大小的方法将因為實體性質和技術工藝限制将難以維系；

年份	處理器型号	制作工藝	半導體數量
2000年	奔騰4	180nm	0.42億
2005年	奔騰D	90nm	2.3億
2006年	酷睿2	65nm	2.9億
2010年	酷睿I7-980X	32nm	11.7億
2013年	酷睿I7-4960X	22nm	18.6億

２. 電洩漏： 随着半導體的不斷減小，半導體之間的電洩漏情況愈發嚴重，進而影響到用于計算的半導體，進而大幅削弱了晶片的計算能力； 　　　　　　

３. 發熱問題：随着半導體密度與速度的增加，晶片會消耗更多的電力，産生更多的熱量。也許你會認為一顆小小的晶片并不會産生多少，但事實卻如Intel前CTO所說的那樣，“如果晶片中的半導體數量以現在的速率一直增長下去，到2005年一個高端處理器每平方厘米散發的熱量将和一個核反應堆外殼持平；到2010年可以和火箭助推器相提并論；到2015年就要和太陽表明一樣熱了。”，這也許會使你覺得不可思議，一個小小的晶片能發出如此高的熱量，然而這卻是工程師不得不面對的問題，這是制約CPU發展，制約計算能力進一步向前的關鍵因素。

聰明的你肯定已經想到，為什麼不增大CPU的面積以放下更多的半導體，同時達到更好的散熱效果呢？事實是，更大的表面積在帶來更好散熱效果的同時，也需要更大的電壓來驅動，而這就會導緻更多的熱能産生，适得其反。 綜上所述，摩爾定律的局限性所引起的摩爾危機使得計算機能力的發展進入低谷，然而，禍不單行，快速發展的量子計算機及量子算法已經開始挑戰現有的計算機世界秩序。

破解銀行密碼的量子算法？

摩爾危機的必然性，對于經典計算機的發展來說是沉重的打擊，國家日益增長的計算需求與落後的計算能力之間的沖突也勢必變得越來越突出，然而現階段各裝置較高的計算能力并沒有激起人們足夠的危機感，但危機早已到來。1994年彼得·秀爾提出量子質因子分解算法後，國際社會一時嘩然，這一算法對通行于銀行、網絡、電子商務體系的RSA加密算法所構成的威脅超出了人們的想象。由于量子計算機的強大計算能力，和對國家安全、社會經濟所構成的巨大威脅，一時間，量子計算機成為各國政府、實業界、企業界争相研究的課題，量子計算機從此上升到國家安全的戰略層次。

或許你會問，為什麼量子質因子分解算法會有如此大的威力？經典計算機不也能分解質因子麼？為了解決這些問題，我們先來了解一下RSA算法的工作原理：

1、産生公鑰和密鑰：（mod 為取模的意思，即a mod b = a / b 的餘數）

• 選擇兩個大質數p、q，并計算其乘積 n = p * q；
• 選取滿足與(p - 1) * (q - 1)互質的參數a；
• 取b，使其滿足(a * b) mod ((p - 1) * (q - 1)) = 1；
• 其中(n, a) 對作為公鑰，(n, b) 對作為密鑰。

2、加密與解密過程：對明文為X，密文為Y的例子有

• 加密過程：Y = X^a mod n；
• 解密過程：X = Y^b mod n;

簡而言之，RSA算法的核心是求兩個大質數的乘積分解，但是要将這個乘積分解為兩個大質數相當難以實作，這樣的不對稱性，正是此加密算法的精髓。但公式始終是生澀冰冷的，我們舉個簡化的例子：

取p = 3，q = 11，則n = p * q = 33，

取a = 21與(p - 1) * (q - 1) = 20 互質，

取b = 1滿足(a * b) mod ((p - 1) * (q - 1)) = 1，

假設明文X = 2，Y為密文

當進行加密時：Y = X^a mod n = 2097152 mod 33 = 2 （等于2隻是巧合，因為所取質數太小）

當進行解密時：X = Y^b mod n = 2^1 mod 33 = 2

RSA算法将公鑰(n, a)公開，是以偷聽者可以得到這兩個參數，而破解的核心便是知道密鑰中的b，而要得到b我們需要通過p、q、a，以及公式(a * b) mod ((p - 1) * (q - 1)) = 1計算出b的值，進而完成破解，是以破解的核心便是質因子分解。對于經典計算機而言，受限于設計模式及計算能力， 質因數的破解的時間複雜度為O(2^n)，1999年，科學家花費5個月分解了512位質數乘積，完成破解，十年後，768位的質數乘積即RSA-768被破解，而現在廣泛使用的RSA-1024将會花費更長的時間完成破解。反觀量子計算機，依托強大的并行計算能力（一次計算量可以達到經典計算機的數以萬倍甚至更多）和五步秀爾算法，能夠實作極短的時間内破解RSA加密算法，這個時間有多短？來自微軟研究院的Dr. Krysta Svore說，“破解RSA-2048(2048-bit)的密鑰可能需要耗費傳統電腦10億年的時間，而量子計算機隻需要100秒就可以完成。”

通過對摩爾危機、RSA加密算法破解的初步了解，量子計算機的發展勢在必行，無論是對于解決摩爾定律失效的危機還是守衛國家政治、經濟、國防的安全，都有着不可忽視的意義，是以，我們需要一種全新的計算模式和計算理論，我們選擇量子計算機。

量子計算機（quantum computer）的基本工作原理

經典計算機工作原理

古人雲，聞一知十，在探索量子計算機的強大前，知曉經典計算機的工作原理必不可少。經典計算機中，以二進制的方式對資料進行存取計算操作，計算機能夠存儲和計算的最小機關是比特，即一位（0或者1）。在這其中，一個半導體或一個存儲位，在同一時刻，能且隻能存儲一位資訊，即要麼存儲0要麼存儲1，這是一個非0即1的選擇。例如，如果我們具有四個存儲位：

存儲位3	存儲位2	存儲位1	存儲位0	十進制值
1
	2
		3
	4
...
				15

如上表所示，在具有四個存儲位時，我們總共能夠表示0-15的16個數，但任一時刻，四位存儲器隻能表示16個數中的唯一一個數，并且，當我們要得到所有數字的時候，我們不得不順序讀寫15次以達到我們的目的。

在經典計算機中，我們通過對存儲位資料的讀取，加以各色邏輯電路進行計算，再将計算結果寫回到存儲當中，這便是經典計算機最基礎的工作原理，在這個工作過程中，我們一次從存儲位中讀取其能夠表示所有資料中的一個資料，一次運算中，我們計算的同樣是這一确定值。

量子計算機之力從何而來

通過之前内容的鋪墊，我們終于可以開始探索量子計算機，為什麼它的能力能夠數億甚至百億于經典計算機，如此強大的計算能力是科幻還是科學？而這一切的答案，皆藏身于陌生的微觀世界。

基本理論依據

量子計算機的核心是量子，而量子所具有的能量正是量子計算機的能量源泉，而這種能量又源自量子兩個匪夷所思的性質：

• 态疊加原理（superposition principle）：對于這一原理，維基百科的定義為“态疊加原理表明，假若一個量子系統的量子态可以是幾種不同量子态中的任意一種，則它們的歸一化線性組合也可以是其量子态。稱這線性組合為疊加态。”，這顯然過于專業且過于生澀，為了便于了解，我們舉兩個例子進行闡述：
  • 假設一輛卡車正在向前行駛，這時路中間正好有一塊大石頭，車要麼從石頭左邊過，要麼從它的右邊過，我們架設多部錄影機記錄卡車通過的這一過程，事後檢查錄像時發現，有的錄影機顯示卡車從石頭左邊經過，有的又從石頭右邊經過。這對于宏觀世界的我們而言簡直不可思議，但這就是量子在微觀世界中所具有的疊加态，即在同一時刻能夠同時具有多種狀态。

  • 提到态疊加原理，不得不提的便是網紅貓———薛定谔的貓。什麼是薛定谔的貓？這是由奧地利實體學家于1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗，其主要内容如下：假設在一密封黑盒中，有一隻貓，有一定的食物，有一瓶毒氣，而這一瓶毒氣的開關由放射性物質組成，當這一放射性物質發生衰變時，便觸發機關，釋放毒氣。現在的問題是，我們在打開黑盒前，是否知道貓的生與死？顯然，在我們打開箱子進行觀測之前，貓是處于一種生與死的疊加态上，而當我觀測的那一刻，才能确定其是生是死。

    薛定谔的貓

卡車從石頭的左側和右側同時經過？貓處于生與死的疊加态上？或許你仍在疑惑，但正如尼爾斯·波爾所說，“當你第一次聽量子力學還聽懂了，那麼你一定沒有聽懂。”，是以，疑惑就該如此。然而，因為這樣的現象對于宏觀世界的我們來說依然難以了解，這種客觀事物以人的意志發生改變的理論顯然與我們恪守的邏輯思維格格不入，量子力學所告訴我們的是：如果不進行測量，那麼一切都是不确定的；而愛因斯坦等一幹實體學家則堅持客觀規則就是那樣，不會随着人的意志而改變的觀點，偉大如愛因斯坦也是以迷惑不已，并說過一句名言：“上帝不會擲骰子”。

近年來，随着科學水準的發展，包括美國國家标準和技術研究所、奧地利因斯布魯克大學在内的越來越多的組織實作了量子系統中的量子疊加态，即物質在微觀尺度上存在兩種完全相反且狀态并存的奇妙狀态。

• 量子糾纏（quantum entanglement）：指粒子在兩個或兩個以上的粒子組成的系統中互相的影響，即使他們相距十分遙遠，一個粒子的行為會影響到另一個粒子的狀态。此即為量子糾纏，量子力學理論中最著名的預測。概念聽起來總是生澀的，我們依然舉個例子來闡述一下：
  • 設想一下，同時有兩個你一個在喜馬拉雅山山頂，而另一個你則在北京，當你在北京胡吃海喝，喜馬拉雅的你同時打了一個飽嗝，而北京的你突然感覺寒氣逼人。

這便是量子糾纏，即兩個量子間互相關聯，即使是在存在遙遠空間距離的情況下，資訊的傳遞、影響的發生依然可以以“鬼魅似的遠距作用”（愛因斯坦曾說道）。或許你已經想到，既然可以通過量子糾纏以超光速傳遞資訊，而人又是由各種粒子組成，為何不能實作人的空間轉移？理論上來說，這的确是可行的，但這依然有一系列看不見的問題需要解決，比如，最棘手的便是怎麼把粒子再還原為人，同時，這也涉及到了哲學倫理問題，利用量子糾纏空間轉移的人還是不是原來的那個人？

對于量子糾纏，神秘的遠距作用為人們帶來了高速且安全傳送資訊的可能性，是以，就在今年，全球第一顆量子通信試驗衛星“墨子号”由我國自主設計發射。這其中的核心技術便是，通過地面與衛星中生成的具有糾纏态量子，進行資訊的傳遞。

揭開量子計算機的神秘面紗

随着對量子計算機所依賴的核心理論态疊加原理、量子糾纏原理的深入了解，仿佛量子計算機的神秘面紗早已撥開，變得不再那麼模糊不清且高高在上，也許你早已想到了要如何實作一台自己的量子計算機。接下來，我們來看一看量子計算機是如何運作的，又是如何擁有遠超經典計算機的計算能力。　

對比經典計算機，量子計算機的能夠存儲和計算的最小機關是量子比特，而這一量子比特存儲于一位量子中，這一量子因為态疊加原理，能夠同時存在0到1之間的多個狀态（而經典計算機隻能表示1或0），假設我們取0和1态，同時假設我們有四個量子比特位，那麼，如果我們要表示0-15的數，将會是如下情況，

量子比特位3	量子比特位2	量子比特位1	量子比特位0	十進制數值
0或1				0-15

很明顯，當我們要取出0-15的所有數時，隻需要取一次，而經典計算機則需要順序執行15次之多，當要對15個數進行計算時，量子計算機将隻取1次資料，計算1次，存儲1次；反觀經典計算機，則由于半導體的實體限制，必須進行15次取，15次甚至更多的計算次數，至少15次的存儲；不僅如此，量子糾纏所帶來的高效傳輸資訊，同樣是傳統的邏輯電路所無法企及的速度。是以，無論是在計算能力上還是在傳輸能力上，量子計算機都占據了壓倒性的優勢，高下立判，模型與量子性質的優越性完美的颠覆了現有的馮洛伊曼計算機體系。　

或許，你還沒有意識到這意味着什麼，正所謂，沒有對比就沒有傷害，我們來看一看經典計算機中，13年的酷睿I7處理器中，已經容納了14億個半導體，這還隻是面向個人消費的CPU，而量子計算機呢？我們隻需要300個量子比特，它所能表示的資料即包含2^300 個數，而經典計算機隻能表示2^300個數中的一個數，據估算300個量子比特所表示的數集，已經超過了宇宙中原子數量的綜合。然而300量子比特并不能夠很好的容錯，是以我們将量子比特增加到1000位，這樣在獲得極大的計算能力的情況下，通過備援的手段，我們也獲得了極高的準确率，然而1000位量子比特較14億半導體的數量來說，仍然是一個相當可觀的數字。

然而，量子計算機盡管有着以上諸多的優勢，卻依然有着其局限性，其中最嚴重的問題便是，量子的态疊加原理告訴我們量子能夠同時保持多種狀态，我們可以根據這種狀态進行計算，然而，量子保持多狀态的條件是量子系統不受外界幹擾，但是，如果不打擾量子系統，又何以對量子進行觀測？這便沖突了起來，好在，哪裡有困難，哪裡就有“解放軍”，量子計算機的這些局限，并沒有阻礙我們太久。

量子計算機的發展趨勢

現狀

自上世紀20年代以來，随着薛定谔、愛因斯坦、海森伯格、狄拉克等人所建立起的量子力學不斷發展，以及實驗水準的不斷提高，人們對于量子力學有了更加深刻但仍不完善的了解與認知。量子計算機，作為站在巨人肩膀上的産物，因其強大的并行計算能力，受到各國政府、學者、企業的重視和追逐，也正是是以，量子計算機的發展勢如破竹。　

近年來，量子計算機的研究成果層出不窮，自2009年以來，量子計算機的主要動向有：

• 2009年11月，世界首台可程式設計的通用量子計算機正式在美國誕生。
• 2010年3月，德國于利希研究中心發表公報：德國超級計算機成功模拟42位量子計算機。
• 2011年5月，加拿大D-Wave System Inc ，釋出了一款号稱 “全球第一款商用型量子計算機”的計算裝置“D-Wave One”。
• 2013年5月，Google和NASA在加利福尼亞的量子人工智能實驗室釋出D-Dave Two。
• 2013年6月，中國科學技術大學潘建偉院士領銜其量子光學和量子資訊團隊，在國際上首次成功實作用量子計算機求解線性方程組的實驗。
• 2015年5月，IBM在量子運算上取得關鍵突破，開發出四量子位原型電路。
• 2015年月，新南威爾士大學首度使用矽制作出量子閘。
• 2016年8月，美國馬裡蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子比特組成的可程式設計量子計算機。

随着量子計算機發展的混沌期過去，大浪淘沙留下的主要量子計算機實作方案有以下3個：

• 超導電路模型（UCSB的Martinis組，實作了9量子比特的超導量子晶片）
• 半導體量子晶片模型（新南威爾士大學的Andrew Dzurak實作了2量子比特的矽基半導體量子晶片）- 離子阱模型（牛津大學的Lucas組實作了5量子比特的離子阱量子計算）
• Josephson junction（為第一台商用量子計算機D-Wave One所采用，但普遍受到學術界質疑）

盡管Josephson junction受到不少質疑，但通過了解其實作方式，仍有利于我們進一步了解量子計算機，簡單介紹如下： 要弄明白，D-Wave One是怎麼控制量子比特的，我們首先需要知道一個實體現象，我們稱之為約瑟夫森效應（Josephson effect），這一實體現象的内容是：電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層的量子隧道效應。即當兩塊超導體靠的很近時，我們不需要加任何電壓，而這之間已經形成了超電流。

最基本的量子比特

在上圖中，X的地方則使我們的約瑟夫森結，具有約瑟夫森效應，其結構如下：

約瑟夫森結

如上所述，因為約瑟夫森效應我們的量子比特電流圈中便有了電流，而此時，對其加入磁場，我們便可以通過改變磁場，進而改變磁通量的方法，控制我們的量子比特，這便是D-Wave One所采用的技術，當我們把128個量子比特連起來時，并形成了D-Wave One的核心，如下圖所示：

對量子比特進行連接配接耦合處理

未來

量子計算機的面紗已然揭開，但新的問題總是接踵而至，我們何以定義一台計算機為量子計算機？量子計算機的未來發展向哪個方向而去？然而，通過對各種論文、報告的總結，答案已經給出。

量子計算機，即一類遵循量子力學規律進行高速 數學和邏輯運算、存儲及處理量子資訊的實體裝置。簡而言之，當某個裝置能夠處理和計算量子資訊，并且運作量子算法時，我們便可以稱之為量子計算機。

就現階段而言，量子計算機的發展方向即為從理論階段轉為可使用的狀态。何為可用的狀态？答案是，“單量子比特邏輯門和雙量子比特邏輯門的保真度達到99%以上、量子比特數目達到幾十個以上、操作速度和退相幹時間在合理範圍的計算機就是一台能用的量子計算機。”，簡而言之，就是能夠快速計算，并且保證結果正确的時候，我們的量子計算機便是可用的了。随着目前各國實業界巨擘如Google、微軟的巨額投入，以及學術界、政府部門的鼎力支援，未來10年内實作“小”而可用的量子計算機指日可待。

又一次改變世界？

今年，是第一代Iphone釋出的第十個年頭，這十年，它所帶來的智能革命颠覆了全世界人民固有的生活方式，移動互聯更成為了十年來最炙手可熱的話題，這是Iphone的力量，那麼，我們的量子計算機是否也具有如此大的能量呢？

或許現在，你還對量子計算機充滿疑惑，亦或是覺得其也不過如此，但無論怎樣，量子計算機都已不再那麼神秘，當我們把量子計算機拉下神壇後，或許我們才可以更加深刻客觀的思考量子計算機于我們而言，是否能夠又一次改變我們的世界？

毫無疑問，答案将是肯定的，量子計算機必将挑戰現有經典計算機世界所建構的規則，改變這個世界的運轉模式，但是，這樣的改變也必将是悄無聲息的，它不會像Iphone那樣讓人觸手可及，但它卻在社會的更深層次，更隐秘的層次推動着社會的發展與進步，就像當打電話時，我們并不關心資訊是通過傳統通信衛星還是量子通信衛星進行傳送的，我們隻關心它能不能通信，然而，量子通信衛星所具有的高并行處理能力和極高安全性能，傳統通信衛星望其項背；當我們乘坐高鐵時，我們并不會考慮它是如何設計建造的，我們隻關心它是否夠快，是否夠平穩，然而，量子計算機的海量資料模拟，将會極大的減少設計建造周期，解放設計師的想象力與生産力，達到更快更穩的設計要求......或許，在不久的将來，我們能夠預測地震海嘯，或許我們能夠利用更強大的計算能力，往宇宙的深處進發，探索生命的根源，探尋宇宙的起點。

量子計算機不再神秘，而它帶來的改變将會陪伴我們每一個人，但它卻摸不着也看不見，或許真正的科技正是這樣，讓人感受不到它的存在。

原文釋出時間為：2016.10.06

本文作者：ZDean

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