 前一阵，微信群里有一条视频被多次转发，视频中有个人用块布住身上一遮挡，人就消失不见了。该视频的说明是：我国发明了“量子隐身布”，世界独创。 这是真的吗？其实很清楚，哪里有什么隐身布，分明是影视制作中常用的抠像技术。不过，的确是有不少朋友对所谓“量子”一头雾水，往往以讹传讹。 12月4日报道，我国中科大潘建伟团队成功构建了名为“九章”的量子计算机，200秒就处理完“高斯玻色采样”问题。计算速度之快比超级计算机“天河二号”快一百万亿倍！即“九章”1分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年。 （“九章”：中国古代最早的数学专著《九章算术》。高斯玻色采样：有关概率的世界数学难题。高斯：19世纪著名德国数学家。玻色子：物理基本粒子分玻色子与费米子。“九章”计算使用的是光子，属玻色子）。 这条新闻被国内主要媒体反复推送，热度极高，但人们对什么是量子计算机，为何能高速求解数学难题，茫茫然不解。 确实，当今前沿的尖端科技中，量子技术无疑是最大的热门。 那么，量子和量子技术究竟是什么？量子计算速度为何能那么快？量子科技的发展和应用目前已到了哪种程度呢？ 对此，本文试作最简单易懂的解释，文中回避所有物理学公式和难懂的术语。那些公式和术语，我也不懂。 什么是量子？量子是对物质粒子的统称。比如原子、离子、电子、光子、中子等都是微观物理的最小单元（数学概念），这类粒子统统称为“量子”。就好比稻米、小麦、玉米之类，统统称之为“谷物”。 再小的物质单元都有能量，且物质与能量等效。每个粒子如离子、光子等都是一个能量包，即一个“能量子”，简称也叫量子。 量子作为物理学概念，最早是由德国物理学家普朗克提出的。1894年他发现了普朗克辐射定律，并提出“能量子”概念。1900年他又提出“能量最小单元”的假设，命名为“量子”。他因研究量子获得了1918年诺贝尔物理学奖，普朗克也被称为量子力学之父。 量子力学，1920年由爱因斯坦、普朗克等科学家共同创立。他们确认存在不同的量子态，比如叠加态、纠缠态、单光子态等特性，这构成量子力学原理的基础。 提到量子理论不得不提著名的“薛定谔的猫”。1933年，奥地利物理学家薛定谔就量子理论提出了一个理想实验。假设一只猫与某种放射性物质同处一个箱子中，放射性物质会衰变并释放毒气，或没有衰变不释放毒气，其概率各为50％，于是这只猫死亡或活下来的概率也是各一半。如果不揭开盖子，我们永远不知道猫是死是活，它就永远处于既死又活的“叠加态”。这是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演，称“薛定谔的猫”。 在此，微观不确定原理变成了宏观不确定原理，猫既死又活违背逻辑，感觉很荒谬。大多数人似乎能看懂这个实验，但要真正理解却很难。正如丹麦物理学家大卫·玻尔所言：“谁第一次听到量子理论时没有发火，那他一定没听懂。” “薛定谔的猫”是诸多量子困惑中有代表性的一个，很难真正理解其中奥秘，毕竟我不是科学家，但能知道，这些量子态概念对于量子科技至关重要。 无论能否理解，科学家揭示了以下量子力学原理特性，这是量子技术核心优势所在： 1，量子叠加：量子在系统内可处于不同的量子叠加态。也就是“薛定谔的猫”同时“既死又活”。非同小可的是，这叠加态使系统存储量极其庞大，从而量子信息处理在效率上的潜力无比强大。 2，量子纠缠：在两个及以上粒子组成的系统中，粒子有相互纠缠影响的特性。系统中粒子那怕在空间上相距极其遥远，只要其中一个粒子产生变化，另一个随即发生相应变化。这种粒子间关联性互动的特性极有利信息加密、远程传态，提高量子传感灵敏度等。 而且，量子纠缠是“超光速”的，像有“超时空隧道”的意思。是真的吗？对此，科学家回答：随着量子科技的发展，这一幻想不是没有实现的可能。 3，量子不可克隆：量子力学中不可能对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制。这个原理可以保障信息编码、传输和处理的绝对安全。 4，量子纳米：量子器件可做至纳米尺度。使量子传感器的空间分辨率极大提高。由于受芯片设计制作工艺限制，在达2纳米级别后，晶体管容量达到极限，计算机的计算能力也趋于瓶颈，电子行为将不再服从传统的半导体理论，晶体管将变得不可靠。芯片的技术瓶颈，需量子技术来解决。 5，…… 什么是量子技术？就是以量子力学原理结合工程学的控制论，实现对工作（科研、设计、规划、分析计算等等）有效控制的一种科学技术，也称为量子科技。实际上就是利用计算机科学、电子学方法等来实现对量子系统有效控制，应用于科学研究、信息传输和处理、生产和工程等。 1959年，美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼提出利用量子效应进行计算的概念。由此，基于量子力学原理的最初一波技术革命浪潮开始掀起。 量子科学问世以来，人类开始认识和掌握微观物质世界的物理规律并加以应用，先后孕育和诞生了包括激光、半导体、核磁共振（MRI）等划时代的重大科技成果。这些是20世纪最重要的科学发现，也是量子科技革命的第一波浪潮。跨入21世纪，将催生如量子计算机、量子通信等，是量子科技革命的第二波浪潮。 目前，量子技术实验性应用已进入量子计算、量子通信、量子测量和传感探测三大领域。 △ 量子计算。利用量子特性完成数据存储和计算，称为量子计算。也就是运用量子计算机和量子算法，实现科研、工程设计、工业制造等需的高速计算。量子计算使用离子、光子等物理粒子，不同类型的量子计算机使用不同的粒子，“九章”是用光子。 1981年，理查德·费曼首次提出量子计算机的概念。他指出，通过应用量子力学效应，大幅提高计算机的运算速度。量子计算的核心优势，就是实现高速并行计算。 科学家语言：以量子比特为基本单元，利用量子叠加态和纠缠态特性，设计合理的量子算法，通过量子态受控演化实现数据的存储和计算。它比经典计算机（现今普遍使用的电子计算机）有无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。 比特，是计算机的最小存储信息单元；量子比特，是量子计算机的最小存储信息单元。 经典计算机是以二进制为基础，设置一系列的0和1来存储信息和实现运算，0和1系列中的每个单元即一个比特。量子计算机则是量子比特，由于量子态叠加特性，每个量子比特能设置许多个比特叠加，每个比特单元储存的信息量可以极庞大。因而量子计算机能够同时承载更多内容，并利用多达几十个量子态叠加来实现并行计算。 简单说，量子计算机处理的量子比特可以是所有数据叠加，一次运算即可解决所有问题，速度极快。 不过要声明，量子计算机不是经典计算机的加强版，也不会取代经典计算机，它是具有计算优越性的新兴科技工具。 总结量子计算机与经典计算机的区别，主要是： 1、计算方式不同，量子计算机的运算单元是量子比特，是叠加态，而经典计算机是比特，是二进制。 2、计算原理不同。基于量子纠缠的原理，量子计算机可以同时进行多条线路的并行运算，这意味着可以同时扫描搜索和分析计算所有可能性，这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。而经典计算机没法这样做。 3、计算程序和算法不同。量子计算机可以通过幺正变换实现可逆计算，并可实行量子行为模拟。经典计算机不能逆计算。 量子计算的“量子搜寻算法”，可轻易攻破现有密码体系，经典计算机需要几十亿年才能破译的运算量，量子计算机在20分钟内就能破译。 上述说明，一台量子计算机运算能力顶得上现在世界所有的计算机运算能力之和。要是有一台真正的量子计算机率先成功，那么现在所有的加密算法都会立即被破解，所有秘密完全暴露在量子计算机的视野内，全世界将没有任何信息安全可言。 现在条件下，一旦有的国家拥有量子计算机，而有的国家没有，当战争爆发，犹如一个明眼人和一个瞎子打架，对方把你的一切看得清清楚楚，而你什么都看不到。 因此，量子计算机是目前科技强国重点攻关的技术难题。而各国诸多实验机构正在试图构建的专用型量子计算机，业已有了强大的存储计算能力。 总之，量子计算机是用量子力学原理进行数据和信息处理，是计算方式全新的计算机。它与经典计算机区别极大，犹如电灯和蜡烛，发光方式和照明度均无法同日而语。  量子世界本质上是平行的，就像阳光可以在瞬间同时照亮无数个窗口，量子计算机能进行高速并行的量子运算，就是这道理。 目前，还没有哪个国家能够造出真正意义上（通用型）的量子计算机，只能为解决某项特定课题构建一架专用的量子计算机，更准确地说是量子计算装置。“九章”也是这种为求解特定问题而构建的量子计算装置。 2007年，加拿大迪·维尔科技公司（D-WAVE）研发成功具有16位光子（量子比特）的量子计算机，是全球第一台量子计算机。之后，微软、谷歌、IBM、英特尔等科技巨头纷纷宣布进军量子计算机科研和应用领域。当然，成功的样品都是专用型量子计算机。 现今的量子计算，也称之为量子模拟。在还没有通用量子计算机的情况下，能控制小规模量子系统来实现在其他系统无法实现的物理现象演示，是向真正量子计算的过渡。 在量子计算领域，我国多年来一直以理论研究为主，这几年阿里巴巴、百度和华为等科技龙头企业先后关注和加大了量子计算领域的投入。量子计算机逐步由“实验室阶段”向“工程应用阶段”迈进。具有76位光子的“九章”问世，标志经过多年努力，我国在量子计算领域已经处于世界领先地位。 量子计算的商业化目前在国内处于起步阶段，在量子计算领域，国内的初创公司较少。有实际产品的仅有中科院合肥的本源量子和深圳的量旋科技两家公司。除此之外，华为、百度等大公司也已经开展了量子计算的研究工作，发布了自己的量子计算云平台。（待续） |
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