——揭開量子計算機的神秘面紗
人類未來最大的矛盾，
是日益增長的數據處理與有限算力之間的矛盾！
算力即權力
可測宇宙原子總數約為10^80，而圍棋走法有2.08*10^170，如果按照深藍戰勝卡期帕羅夫的窮舉套路，就算 “天河3號”出馬也會力竭。所以AlphaGo不計算所有的事件，而是採用蒙特卡羅模擬與人類對抗，最終曲線革命成功，但如果大BOSS“量子計算機”出戰，什麼抽樣統計，什麼概率分析，什麼深度學習，沒那麼多廢話，直接暴力枚舉。就像武林各派華山論劍，潘建偉教授拿著一把AK47衝進去，管你是還是南帝北丐東邪西毒，一梭子下去，統統game over！在超強算力面前，一切都是鏡花水月。
近期，谷歌研發團隊在一篇論文中稱，谷歌已經能夠利用一臺53量子比特的量子計算機實現傳統架構計算機無法完成的任務。這一量子計算機在3分20秒內完成特定任務的運算，如果讓目前世界排名第一的超級計算機——美國能源部橡樹嶺國家實驗室的Summit執行同樣任務需要大約一萬年時間。
儘管最後這篇論文被刪除，但如果最後論文審核通過，那量子計算就真的形成和實現量子霸權，從3分20秒完成超算1萬年才能完成的任務，實現了8個數量級的跨越（1萬年有5.256億分鐘）。
量子計算機演化概念圖
在現代社會，無論是與民生相關的天氣預報，地震海嘯預測，橋樑結構分析，還是與國家相關的導彈模擬，核聚變模型檢測，以及宏觀經濟預測，無一不依賴於超強算力。可以說，當代社會最大矛盾之一就是日益增長的數據處理與有限算力之間的矛盾。
誰最先擁有量子算力，誰就擁有最大權力。
上帝算力從何而來
量子計算機為何具有如此超強算力，又要從薛定諤的那隻貓談起，這隻連通陰陽兩界的萌寵，一直沉睡於量子的疊加態中，處於既生又死的狀態，我們不用去懷疑這種現象是否存在，這一點上，連偉大的反對派愛因斯坦也不得不接受這一現實。
量子計算機的計算原理和薛定諤的貓具有一致性，利用的都是“量子疊加態”。在計算機的經典模型中，最基礎的構建要素－－比特，只能存在於兩種截然不同的狀態之一：0或是1，這就是傳統計算機裡最底層的世界，只需要一個負責任的門衛，用“開”或“關”來處理進入數據，規則雖然簡單，卻能創造一個駭客世界，但也有一個缺點，在同一時間只能處理一個Bit，計算能力受到限制。而在量子計算機中，規則改變了，一個“量比特”不僅僅存在於傳統的0和1狀態中，還可以是一種兩者連續或重疊狀態。因為量子具有不確定性，量比特（Qubit）被描述成 α0|0⟩+α1|1⟩，其中 |α0|^2+|α1|^2=1。也就是說，普通計算機n比特可以描述2^n個整數之一，但n個量子比特可以同時描述2^n個複數，複數向量意味著什麼，看看下圖就明白，意味著任何一個數都是“何方可化身千億, 一樹梅花一放翁”！
理論上來說，一個Qubit就可以儲存無限信息，量子比特中存儲的信息將始終處於動態演化過程之中。也就是說，你每一次測量的並不是同一系統，而是不同世界，所以有人說“量子計算”是利用平行宇宙來計算，有超強的並行能力，雖然有些玄乎，但也不無道理。
假設你是黑客帝國裡的“尼奧”，從“太極”出發要推開“兩儀”中“1門”或“0門”其中一扇，然後再推開“四象”中“00門”，“01門”，“10門”，“11門”中的一扇，走完160次路徑後找到了錫安。而追捕者史密斯如果通過傳統計算，要想分析160多步的尼奧路徑，需要的時間是47515528679349475857年，等他成功窮舉出來，尼奧已經解放全人類了。但如果史密斯處於2^160萬個平行現實中，每個世界只走一條路，那可能30分鐘就能抓到尼奧，這就是疊加態的妙用，量子計算機可讓你複製出2^160個史密斯，每個人只需要走一條路就可以了。不是超強算力選擇了量子計算，而是量子計算天然具有超強算力。
摩爾定律走到盡頭 | 人類必須選擇新助理
Intel創始人之一摩爾在上世紀60年代提出：當價格不變時，集成電路上容納的元器件數目，約隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。簡言之，
即計算機的性能以18個月翻一番的速度不斷髮展，這一內容在之後的半個世紀不斷被觀測與證實，因此被人們稱為摩爾定律。我們可以很清楚地從下圖看出，摩爾所做的推測與觀測基本相符，CPU中晶體管的數量隨時間成指數級增長。
按照摩爾定律，人類要做的事情只是降低晶體管大小，從而集成更多晶體管，然而晶體管的大小不能無限小，當到達一個原子大小時，任何納米管和傳統工藝都將對此毫無辦法，酷睿I7處理器容納了14億個晶體管，再這麼玩下去就逼近上帝底線。就算如此，但算力依然有限，計算機跑完一個可計算函數的時間裡，太陽都可能燃燒殆盡。
所以摩爾危機必然到來，經典計算機的發展已經到了盡頭，人類必須選擇新的可靠助手。量子計算機應運而生。1982年逗逼天才費曼提出人類應該考慮量子計算機，1994年，貝爾實驗室的休爾提出量子質因子分解算法，向大家展示了量子算法分解大數的質因數的速度——分解一個1000位的數字，傳統計算機大約需要耗費10京（《孫子算經》載“萬萬曰億，萬萬億曰兆，萬萬兆曰京”）年的時間，而利用量子計算機的話，只需要20分鐘左右。這種效率讓暴力窮舉看起來不再那麼暴力，甚至還生出一分閒庭信步的氣質。如果這一算法與量子計算機真正結合，現代銀行、網絡、電子商務體系的安全堡壘猶若紙糊的燈籠。
由於量子計算機的強大算力，和對國家安全、社會經濟所構成巨大威脅，一時間量子計算機成為各國政府、實業界、企業界爭相研究的課題，量子計算機從此上升到國家安全的戰略層次。 近年來，量子計算機的研究成果層出不窮：
2009年11月，世界首臺可編程的通用量子計算機正式在美國誕生。
2010年3月，德國超級計算機成功模擬42位量子計算機。
2011年5月，加拿大D-Wave發佈一款全球第一款商用型量子計算機。
2013年6月，中國科首次成功實現用量子計算機求解線性方程組的實驗。
2015年12月，谷歌推出的D-Wave量子計算機，號稱比其他任何計算機都快出一億倍。
2016年8月，美國發明世界上第一臺由5量子比特組成的可編程量子計算機。
2017年5月，世界上第一臺超越早期經典計算機的5量子比特計算機在中國誕生。
2018年2月，加拿大D-Wave宣佈將量子計算引入公共雲，開發者可以免費通過公共雲使用量子計算。
2019年9月，IBM宣稱將推出計算性能最強悍的53位量子計算機，將是迄今可供外部使用的最大通用量子計算機。
量子雖小，不好控制
IBM科學家David在2000年提出建造量子計算機的5點要求和2個輔助條件，為具有實用價值的量子計算機畫出了藍圖。
❶一個能表徵量子比特並可擴展的物理系統；
❷能夠把量子比特初始化為一個標準態；
❸保證在系統退相干之前完成整個量子計算；
❹構造一系列普適的量子門完成量子計算；
❺具備對量子計算的末態進行測量的能力。
兩個輔助條件是：①在靜止量子比特和飛行量子比特之間實現量子信息的轉換；②具備在節點間實現量子比特傳輸的能力。
用更通俗的語言來解釋上面5點，我們假設存在一個量子社會，這個社會由量子人構來，要成為一個量子人，首先要有一個承載量子靈魂的肉體，這就是量子比特的運行硬件；然後肉體上的五官能夠獲取標準的量子信息，而不是靈魂聽不懂的其它外星語言；在獲取這些信息之後必須馬上自擼，而不是打個哈欠去睡覺，因為量子人一覺醒來之後沒有記憶；量子人將信息編譯成量子語言時也不能胡編亂造，必須有標準編碼進行翻譯；最後你在屏幕上顯示出的量子語言其它量子人能夠看得到。
要想研製量子計算機，除了要研製芯片、控制系統、測量裝置等硬件外，還需要研製與之相關的軟件，包括編程、算法、量子計算機的體系結構等。
量子計算機擁有眾多優勢，但是基於量子力學上的不確定性也使得它本身較之經典計算機更加不穩定。和經典計算機設計、硬件並不一樣，量子計算機設計製造首先需要保證量子比特處於穩定相干疊加態之中，一旦相干態中的量子比特在和外部環境發生量子糾纏之後會陷入退相干狀態，那麼，此時量子比特和傳統比特沒有區別，這就是上面談到的第❸點。量子人雖然很強大，但特別喜歡睡覺，而一睡覺之後把所有事都忘了，現在最大難處就是讓它在睡覺之前做更多的事情。這也是現在量子計算機最難以突破的地方，這次中國科技大學研究出的量子計算機比Google在2016年推出的量子計算機在退相干之前多控制了1個光子，大家就開心成這樣。可見量子雖小，不好控制。
人神之間，相差一臺量子計算機
對於量子計算機的出現，不能過於樂觀，量子算力是比核武器更危險的存在， 誰第一個操縱45-50個量子比特，誰可能優先獲得最大權力，如何制衡這種權力，值得深思。
往昔談起圍棋，津津樂道於其玄幻莫測，智慧深遠，不可猜度。如今談起圍棋只有四個字：人不如狗……AlphaGo每秒上億次的計算能力，已經將九段棋手都甩到了五子棋的級別，一旦引入量子計算，那就算上帝出手，頂多弈成平局。
人類未來最大的矛盾，是日益增長的數據處理與有限算力之間的矛盾！谷歌大腦1.6萬個CPU運行7天才能完成貓臉識別，谷歌大腦實現模擬人腦的突觸數量僅為100億個，而實際的人腦突觸數量超過100萬億，這個數字對於經典計算機來說不可企及，對於量子計算來說，這都屬於小兒科。一旦能夠控制更多量子比特，人與機器的結合，也水到渠成！從智人到神人，中間只差一臺量子計算機。
量子不死，逆天不止。
閱讀更多 南城WJ 的文章
