量子計(jì)算是什么？它將在各行業(yè)扮演怎樣的角色？它又將在多大程度上改變我們的世界？騰云智庫(kù)中的科幻大師吳巖正在寫(xiě)一個(gè)劇本，看完這篇文章直說(shuō)找到了一個(gè)點(diǎn)子。大家看懂量子計(jì)算了嗎？又開(kāi)了什么腦洞？歡迎在留言中分享。

葛凌

作者葛凌，牛津大學(xué)量子物理博士，騰訊公司歐洲首席代表，曾在英國(guó)倫敦帝國(guó)理工大學(xué)任職，擔(dān)任英國(guó)皇家科學(xué)院Leverhulme研究員和博士生導(dǎo)師、全英化學(xué)計(jì)算模擬中心主任、校長(zhǎng)助理等。期間曾兼任英國(guó)政府和倫敦市長(zhǎng)辦公室在創(chuàng)業(yè)社區(qū)、智慧城市和數(shù)字戰(zhàn)略等領(lǐng)域顧問(wèn)，并為英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》、《Wired》等撰寫(xiě)專欄。

從基因定位到太空探索，人類活動(dòng)帶來(lái)了越來(lái)越多的數(shù)據(jù)。這些海量數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力范圍?；谶@種情況，在挖掘大數(shù)據(jù)潛在價(jià)值的過(guò)程中，量子計(jì)算將扮演重要角色。

發(fā)展量子計(jì)算技術(shù)的主要挑戰(zhàn)在于需要通過(guò)發(fā)展高精度、高效率的量子態(tài)制備與相互作用控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；孔颖忍氐南喔刹倏v。不過(guò)因?yàn)榱孔佑?jì)算對(duì)物理系統(tǒng)性質(zhì)的要求常?；ハ嗝埽越ㄔ煊幸?guī)模的、有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)還存在巨大的技術(shù)困難。而且與傳統(tǒng)計(jì)算相比，錯(cuò)誤對(duì)于量子計(jì)算的影響更大，所以對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)很重要的一點(diǎn)是要解決容錯(cuò)性 (Fault-tolerant)。

2017 年 5 月中國(guó)科學(xué)院首次實(shí)現(xiàn) 10 個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，同期 IBM 實(shí)現(xiàn)了 17 個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏。未來(lái)兩到三年內(nèi)有望擴(kuò)大到 50 個(gè)量子比特，達(dá)到所謂的“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy)。屆時(shí)在某些問(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將超過(guò)目前最強(qiáng)大的經(jīng)典并行計(jì)算機(jī)。但要達(dá)到真正的商業(yè)應(yīng)用，量子比特需要達(dá)到百萬(wàn)級(jí)，這是一個(gè)非常大的門(mén)檻。當(dāng)規(guī)模如此龐大時(shí)，量子計(jì)算機(jī)就可以克服錯(cuò)誤問(wèn)題。 

即使是最樂(lè)觀的科學(xué)家也認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)完全取代現(xiàn)在的電腦。對(duì)于許多問(wèn)題，使用量子計(jì)算機(jī)并沒(méi)有太大的優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)沒(méi)有必要使用量子計(jì)算機(jī)去做文字處理，查郵件或者玩手機(jī)游戲。

量子計(jì)算未來(lái)主要會(huì)應(yīng)用在復(fù)雜的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理與計(jì)算難題，以及基于量子加密的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)，例如：環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的氣象預(yù)報(bào)，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基因測(cè)序與藥物研發(fā)，金融領(lǐng)域的投資大數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)建模、網(wǎng)絡(luò)安全與即時(shí)通訊領(lǐng)域的量子加密，以及為人工智能提供強(qiáng)大的計(jì)算能力等。

加速機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能

與人類一樣，量子計(jì)算機(jī)也可以從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，進(jìn)行自我糾錯(cuò)。這一概念被稱為量子計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)——與Facebook 新聞流根據(jù)用戶的“點(diǎn)贊”而進(jìn)行個(gè)性化的推送相類似，只是更為復(fù)雜。

量子計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助我們更快、更高效地做很多事情，具體應(yīng)用場(chǎng)景包括人臉識(shí)別、圖像理解、音頻語(yǔ)音理解、用戶畫(huà)像、機(jī)器人和自動(dòng)駕駛車的圖像識(shí)別及決策等。對(duì)于數(shù)據(jù)越多的問(wèn)題，節(jié)省的時(shí)間就越多。例如，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)并不擅長(zhǎng)從海量圖片中迅速完成 “孫悟空在哪兒” 的識(shí)別任務(wù)，但量子計(jì)算機(jī)卻非常擅長(zhǎng)從混亂的背景中找出具體人物或者細(xì)節(jié)。

構(gòu)筑信息安全

現(xiàn)有加密系統(tǒng)受到量子計(jì)算機(jī)威脅，但是通過(guò)量子力學(xué)特性的加密技術(shù)將變得更加安全。這種超級(jí)安全通信被稱為“量子密鑰分配”。它允許某人發(fā)送信息給其他人，而只有使用量子密鑰解密后才能閱讀信息。如果被第三方攔截，鑒于量子力學(xué)的原理，信息會(huì)變得毫無(wú)用處，也沒(méi)人能夠再讀取它。

后量子密碼學(xué)致力于創(chuàng)建出即使是未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)也無(wú)法破解的密碼。PQCRYPTO 是一個(gè)受歐盟資助為期三年的項(xiàng)目，專注于開(kāi)發(fā)后量子加密。2016 年，該項(xiàng)目的一些研究成果已經(jīng)被 Google 用在了 Chrome 瀏覽器運(yùn)行的后量子加密測(cè)試中。而在斯諾登事件后，美國(guó)國(guó)家安全局于 2015 年表示將更新其所有的加密技術(shù)，使它們無(wú)法被量子計(jì)算機(jī)破解。

挑選最優(yōu)化解決方案

許多證據(jù)表明量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更適合進(jìn)行某些需要挑選出最優(yōu)化解決方案的任務(wù)，而大量的商業(yè)活動(dòng)都依賴于最優(yōu)化方案。例如，在開(kāi)始制造汽車、飛機(jī)部件前，我們可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型優(yōu)化汽車和飛機(jī)的設(shè)計(jì)方案。Google 在量子計(jì)算機(jī) D-Wave 2X 上優(yōu)化一個(gè)含有大量變量的函數(shù)，比在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上快一億倍。

我們可以自定義什么樣的問(wèn)題需要找出最優(yōu)化解決方案，比如說(shuō)：產(chǎn)品收入最大化，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)化率最大化，用戶滿意度最大化，成本耗時(shí)最小化。某些人工智能問(wèn)題也可以轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題，例如，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，使其對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)誤差最小。

量子計(jì)算就像是新的“引擎”，代表了新的商業(yè)形態(tài)和社會(huì)形態(tài)。蒸汽機(jī)的到來(lái)引發(fā)了第一次工業(yè)革命，燃?xì)鈾C(jī)引發(fā)了第二次工業(yè)革命，計(jì)算機(jī)的誕生引發(fā)了第三次工業(yè)革命，那么量子計(jì)算機(jī)的到來(lái)，很可能會(huì)推動(dòng)第四次工業(yè)革命的很多構(gòu)想正在實(shí)現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)一旦投入使用，許多行業(yè)可能將會(huì)受到顛覆性的影響，目前很多看似不可能有太多突破的領(lǐng)域未來(lái)都會(huì)有很大的改變。

量子計(jì)算是屬于未來(lái)的技術(shù)，當(dāng)下我們正處黎明時(shí)期。而量子計(jì)算和云的結(jié)合，又可以帶來(lái)巨大的前景，研究人員和科學(xué)界可借此加快量子領(lǐng)域的創(chuàng)新速度，也有利于發(fā)現(xiàn)量子云計(jì)算的新應(yīng)用領(lǐng)域。所有這些應(yīng)用都令人激動(dòng)不已，但要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，我們依然有很長(zhǎng)的路要走。

關(guān)于量子計(jì)算的小知識(shí)

量子計(jì)算的神奇之處在于，它的運(yùn)行是基于量子比特 (Quantum bit)，而非現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的經(jīng)典比特，它利用量子力學(xué)理論中的量子疊加 (Quantum superposition)和量子糾纏 (Quantum entanglement) 效應(yīng)，具有天然的“大規(guī)模并行計(jì)算”的能力。

量子比特

普通計(jì)算機(jī)一個(gè)比特 (Bit) 可以表示為 0 或者 1。而量子計(jì)算機(jī)雖然也可以使用 0和 1，但一個(gè)量子比特（Quantum bit）可以同時(shí)是 0 和 1，具有不確定性。

如果把經(jīng)典比特的 0 和 1 想象為地球的南北極，在量子比特中，量子比特可以是部分北極和部分南極的疊加狀態(tài)，即無(wú)限多種組合的線性疊加態(tài)。

量子疊加

經(jīng)典世界告訴我們，一個(gè)時(shí)間，比特只可能有一種狀態(tài)，過(guò)一段時(shí)間可以跑到另一種狀態(tài)，但是同一個(gè)時(shí)間只有一種狀態(tài)。

就像騰訊大廈有 39 層樓，你問(wèn)某位同學(xué)在哪兒，經(jīng)典世界一定說(shuō)他位于 39 層中的某一層。但是如果從量子比特的角度來(lái)看，他 39 種狀態(tài)都有，你問(wèn)他在哪兒，原則上說(shuō)他各種可能的態(tài)都在，39 層樓他都在、而且是同時(shí)在，這就是量子世界的奇妙特性。

量子糾纏

描述了當(dāng)兩個(gè)粒子互相糾纏時(shí)，即使距離遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。當(dāng)其中一個(gè)粒子被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的變化。

量子算法

1985年，英國(guó)牛津大學(xué)教授 Deutsch 研究了量子 Turing 機(jī)，引進(jìn)了量子計(jì)算線路模型和量子通用邏輯門(mén)組，突破了經(jīng)典計(jì)算 Boole 邏輯的限制，實(shí)現(xiàn)了到量子演化的躍進(jìn)。 在那之后，科學(xué)家們開(kāi)始了對(duì)量子算法的研究。

Shor 算法 是由美國(guó) Bell 實(shí)驗(yàn)室 Shor 在 1994 年提出的分解大數(shù)質(zhì)因子的量子方法。互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代絕大多數(shù)的加密，都由 RSA 算法完成，目前支付寶、微信支付、微眾銀行等都在采用 RSA 2K 加密算法，但隨著量子計(jì)算的發(fā)展，RSA 加密安全性受到了挑戰(zhàn)。

Grover 算法 是由 Grover 于 1996 年提出的平方根加速的隨機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)量子搜索算法。搜索算法常用于從 N 個(gè)未分類的記錄中找出某個(gè)特定的記錄。Grover 量子搜索算法可以對(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)經(jīng)典搜索平方根加速，為了實(shí)現(xiàn)這樣的加速，Grover 算法主要依賴于量子態(tài)的疊加。