01 量子通信在去年争论很多，也有很多不准确的说法。 量子通信就是借助量子纠缠现象，让通信双方获得相同的随机数，用作加密的密钥。这种方式首先可以绝对地防止密钥在传送过程中的失窃，同时也可以使得通信密钥高频度的更换，使得用计算机破译密钥变得没有了意义。 目前量子通信与通信的带宽无关，仅仅与保密有关。它更不是超光速即时通信，这也是很多人对量子通信的误解。我们目前对纠缠现象无法做更底层的科学解释，但是很明确的一点，就是它与超光速信息传送无关，并不违背相对论。 潘建伟教授团队的重要贡献，就是解决了量子通信的技术实现问题，使得量子通信可以在实际中开始应用。但量子通信的意义，目前仅仅是解决通信的安全密钥分发的问题。 02 量子计算 量子计算比量子通信要复杂很多。 首先我们看一下普通计算机的发展历程。 现代电子计算机的探索始于上个世纪三十年代。开始的时候，人们建造的计算机都是专用计算机，也就是说一台计算机只是解决特定的问题的，比如做密码的破译，做积分计算等等。而不是通用的计算机。经过一段时间的发展，到了上个世界40年代中期，以冯·诺依曼为代表的科学家，总结创造出了通用计算机的设计，即所谓的冯·诺依曼架构。它的本质就是计算机的程序驱动通用逻辑计算单元，来实现可编程的通用计算任务。这样的计算机不再只是解决特定的问题，而是只要是逻辑计算类的问题，它都可以解决。冯·诺依曼架构的出现，是现代计算机发展的一个重要的里程碑。目前，我们所有的处理器，都还是冯·诺依曼架构。 量子计算也在走着类似的过程。 量子计算始于1981年著名的物理学家理查德·菲利普斯·费曼（1918—1988，物理学家，1965年获诺贝尔物理学奖，加州理工大学任职）在麻省理工学院的一次题为“SimulatingPhysicswithComputers”的讲演（后成文刊登于International Journal of Theorectical Physics, Vol. 21,Nos 6/7,1982）。他认为物质世界的本质是量子特性的，所以我们应该可以直接利用量子特性来模拟物质世界的问题，而不需要通过现代计算机那些人工设计出来的“算法”去算。他认为这样会更加有效地解决问题。而且他更进一步花了很大的篇幅去说明量子过程也不能够完全用传统计算机的来模拟：“That’s why quantum mechanics can’t seem to be imitable by a local classical computer.” 费曼这个思路的出发点与传统计算机有着本质的不同，它并不是去追求传统意义上的计算速度有多快。而现在大家关心的恰恰仅仅在于计算的速度。换句话来讲，费曼设想让“量子计算机”的“运算”过程直接对应于物理世界的过程，而传统的计算机的运算是面向抽象的逻辑数字运算的。我们要通过程序算法将世界的实际问题转化为逻辑数字运算交给传统的计算机来解决，而费曼设想的量子计算机则不需要这个转换过程。他提出这个思路后，大家就开始研究如何利用量子特性来做“计算”。人们已经尝试的用于做量子计算的量子手段有：原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。目前还没有哪一个手段被普遍认为能够切实可行地支撑量子计算的持续发展。 虽然费曼提出了量子计算的设想，但是他的设想比较粗糙，在科学意义上无法达到传统计算机领域里图灵与冯·诺依曼的贡献的高度。他在那次讲演中强调他设想的量子计算机在基本原理上与传统的计算机是不一样的：“It is not a Turing machine, but a machine of a different kind.”到底是个什么“kind”，他认为回答这个问题“应该”并不难，只是他还没有花时间来做。而事实上后来人们在量子计算领域也是在拿图灵机与冯·诺依曼架构往量子计算上套，有学者仿造图灵机搞出了“量子图灵机”。也许这个做法是可行的，但是与费曼的设想却大相径庭。量子计算目前还在非常初期的探索阶段，对于量子计算的许多基本问题，大家还没有形成一致的看法，而且目前的量子计算都处于利用某些量子特性实现专用计算的演示，人们还不知道如何有效地实现通用的可编程计算。 1996年，贝尔实验室的W.Shor（1959--，应用数学家，麻省理工学院任职）发现了如何利用量子特性做质数分解的方法（即所谓的“量子算法”，可用于RSA加密系统的破译），让量子计算从概念向实际迈进了一步。2001年，来自IBM研究中心与斯坦福大学的科学家利用有七个量子位的基于核磁共振机理的“量子计算机”，实现了将数字15分解为5与3的乘积，为实现W.Shor算法迈出了一步。但人们对这是否属于“量子计算”存在不同看法。 2011年，加拿大D-Wave公司造出了128个量子比特的“世界第一台”量子计算机D-Wave One，并且卖给了洛克希德马丁公司。2013年又推出512个量子比特的D-Wave Two，NASA、谷歌公司与美国一个大学联盟一起用其建立了“量子人工智能实验室”。这个系列的计算机的“量子计算”部分也是一个专用“量子”处理器，实现的是“退火算法”，用于解决离散函数的全局最优化问题。这个处理器相当于一个基于“量子隧穿效应”的专用的计算模块。该公司CTO称该量子处理器的目的是快速找到优化问题的“近似解”。“量子人工智能实验室”建立之后，全球许多机构的专家学者都参与了对这台机器的测试使用，但是大家测试的结果并没有能够肯定地显示出“量子计算”的速度优势。大家对这个系列的计算机是否能够算作量子计算机也依然持有不同的看法。该公司后来又于2015年与2017年分别推出了拥有1000与2048个量子比特的D-Waver 2X与D-Wave 2000Q。 显然，今天的量子计算，还处于传统计算机30年代的萌芽状态，只能做一些解决特定问题的专用计算装置，而且这些计算装置的实用性也不强。 在传统计算机领域，图灵机与冯·诺依曼架构都是逻辑模型，与具体的物理手段与过程无关。而量子计算，按照费曼的设想是希望基于量子物理特性去直接“仿真”（Simulate）真实物理过程，而不是将真实的物理过程抽象为逻辑数学算法。面向未来，如何利用量子特性按照费曼的设想做通用的可编程计算，目前还没有费曼说的不同于于传统计算机中图灵机与冯·诺依曼架构的理论支撑。这一点与量子通信完全不同。量子通信在技术实现之前，其可行性在理论上至少是没有问题的。所以量子计算机是否能够取代普通计算机是一个目前在理论上都难以回答的问题。 目前，对量子计算有几个认识上的误区。一个是量子计算机的信息存贮容量远远超过普通计算机。这个是把量子叠加态简单地等同于了信息技术中的数字化信息。这两者是不同的概念。以D-Wave机器为例，量子叠加态对于量子计算过程来说，是中间过程，并不能用来表达信息。计算完成后，量子叠加态一定要坍塌到一个单一的状态，此时才能对应于我们需要的信息；另外一个就是量子计算的速度问题。如前所述，量子计算目前只能针对具体特定的问题进行处理，所以速度对比也仅仅是针对特定的问题而言，而不是一般情况下的计算速度。而对于特定的问题，除了量子计算，我们还有其它的手段也可以比普通的计算机效率更高。所以，现在我们还不能下结论，简单地认为量子计算机的速度会远远超过普通计算机。就D-Wave而言，针对其量子计算设计面向的优化问题，也没有人们普遍认可的确切证据，证明其比普通计算机运算的更快；还有人讲量子计算突破了冯·诺依曼架构，这就更有点不着边际。冯·诺依曼架构实现的是通用可编程计算，现在的量子计算只能做专用计算，还不具有通用计算能力，谈何突破冯·诺依曼架构。 《科学美国人》日文版2018年第二期专门讨论了量子计算机问题，它最后的结论是量子计算机至少还需要几十年的时间才可能实用化。这已经是比较乐观的看法了。一个典型更悲观的看法来自一位物理学家。2012年诺贝尔物理学奖得主，专门做量子信息的法国科学家Serge Haroche（1944--，物理学家，2012年获诺贝尔物理学奖，法兰西大学任职）在其诺贝尔演讲辞中专门说：量子计算机看起来是一个乌托邦。所以，今天对量子计算的研究，还属于非常初期的探索阶段，要想造出通用的量子计算机，不仅有大量的技术问题需要突破，更有基本的理论原理需要解决。如果量子计算不能实现通用可编程计算，则它就很难与传统计算机一决高下。 当然，也许如传统计算机那样实现一般的可编程通用计算就不应该是“量子计算”的归宿。如上一节中我们讨论的，“量子计算”如果能够找到基本数字计算之外的与人的基本智能活动新的结合点，并且依赖这个结合点能够支撑基本数字计算无法实现的其它类型的人类智能活动的话，那量子计算将引发人类创造的辅助智能类工具的革命性变化，而不仅仅是运算速度的进一步提升。假如未来造出这样的计算机，那它的理论基础，将如费曼所言不再是以图灵机为代表的现在的这些计算机科学理论了。而目前还看不到这样的前景，虽然它似乎更符合费曼当初的设想。
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