當前量子計算技術前沿是什麼水平? [1]（轉自知乎）

08-18

感謝大家三天來的關注和反饋。量子通信部分略有修改，一些細節語言更嚴謹了些。需要強調的是，實際條件下量子通信的安全性分析是一個複雜的研究方向，科學家們也一直在為減少實用量子通信的安全漏洞不懈努力。例如，誘騙態 (decoy state) 和測量裝置無關量子密鑰分發 (measurement-device-independent quantum key distribution) 彌補了第一代商用量子通信技術的兩個重要安全漏洞。但是，絕對安全的量子通信在現實中是不存在的，使用了新技術的量子密碼仍然存在其它安全漏洞。對此感興趣的童鞋可以參考下面三篇綜述長文：

V. Scarani, et al. The security of practical quantum key distribution. Rev. Mod. Phys. 81, 1301 (2009)

R. Alléaume, et al. Using quantum key distribution for cryptographic purposes: A survey. Theor. Comput. Sci. 560, 62 (2014)

E. Diamanti, et al. Practical challenges in quantum key distribution. npj Quantum Information 2, 16025 (2016)

另外，為了避免誤解，第八部分中關於中國互聯網巨頭「量子戰略」的評論更具體了些，寫清了「畝產十萬斤」到底指什麼。此段觀點沒有變化。

最後，出於自我保護，我將在知乎永久封筆。Addio!

本人坐標耶魯大學，是 Devoret-Schoelkopf 超導量子計算實驗室迄今唯一本科來自中國的博士生。

文章很長，分為九個獨立的問題，可分別閱讀：

（一）量子是個啥？

（二）各種量子技術都是啥？

（三）量子計算機有啥用？

（四）量子計算機怎麼做？

（五）當前量子計算實驗研究的各路高手都是誰？

（六）量子計算到底難在哪？進展到哪一步了？

（七）量子計算何時商業化？

（八）中國的量子計算處於什麼水平？

（九）結束語：我們為什麼研究量子計算？

不過在長篇大論之前想先喊幾句：

量子計算機不是摩爾定律的延續，沒有理由取代經典計算機

在現階段，「量子比特數大戰」是沒有意義的

近幾年量子計算「商業化」的泡沫極多，各種項目魚龍混雜

中國的量子科技有個別亮點，但總體顯著落後於美國和歐洲

這兩年來，自己在被看過各種新聞的小夥伴們不停地問：

量子計算機還要多久才能造出來？聽說馬上就要／已經造出來啦？……

量子計算是不是快要商業化了？有了量子計算機，IT 產業會徹底顛覆嗎？程序員會大量失業嗎？……

中國是不是也要造出量子計算機了？中國的量子科技世界領先嗎？你們實驗室做得過中科大嗎？……

問話地點包括但不限於餐桌、微信、劇場、超市、洗手間等。由此意識到兩件事：開心的是自己的領域最近確實在受到不一般的關注；但尷尬的是大家平時接觸到的有關量子計算的報道（哪怕來自看似「專業」的媒體）幾乎都帶著很強的宣傳甚至營銷風格，極少會用科學的態度說事情，一次次地展示「科技新聞」的下限，讓人分不清這究竟是一場科技革命，還是又一輪商業炒作。這實在令人遺憾——在信息最發達的時代，鋪天蓋地的新聞卻多是雜訊，普通人依舊沒什麼機會弄清熱門話題的真相。

這也是我動筆的主要原因——我希望更多理性的童鞋能了解一些有關量子計算的事實。

本文主要面向非專業讀者，只需要基本的物理和信息技術常識即可。本文也不是學術論文，重點是介紹這個領域的整體圖像、主要挑戰，盡量不涉及太多知識細節。其實與當下的其它科技熱潮（例如人工智慧）相比，量子計算、尤其是它的物理實驗是一個規模很小、離生活較遠、有相當專業門檻的嚴肅科學領域（量子力學只是其中最最基本的知識），想通俗但準確地把事兒說明白挺不容易。但我會努力嘗試滴～不過最重要的是——區分什麼是科學、什麼是炒作：（預覽一下正文第六部分的幾條屢試不爽的經驗判據）

當前所有以量子比特數作為首要亮點的「進展」幾乎都是炒作

所有在新聞媒體上首發或大肆渲染的「進展」幾乎都是炒作

所有在朋友圈裡大量轉發、被非專業人群大量關注的「進展」幾乎都是炒作

在現階段，所有「多少年後做出量子計算機」的承諾都是炒作

車輛起步，請扶穩坐好。［本文談到的所有進展都已經公開發表，不會透露任何實驗室的內部消息和圖片］

首先也最重要的是，我們在談論任何科技進展的時候都必須分清三個概念：科學事實、理論構想、未來展望。

科學事實必須是清晰、準確、可重複的實驗結果。確鑿的實驗事實是最紮實的科學知識。例如，氫原子有一個質子和一個電子，正常人有23對染色體等等。當前量子計算機的研究也是建立在非常堅實的實驗基礎之上——後面會講到，在過去的二十多年裡，科學家已經在量子物理的兩條新戰線上分別取得了里程碑式的重大進展。

理論構想是依據已知科學事實、通過邏輯推演得出的預言或設計。再精妙的理論構想也要經過實驗檢驗之後才能被稱為事實。例如，1916年，愛因斯坦在廣義相對論的基礎上提出了引力波的預言；但是這個構想直到1974年天體物理學家 Russell Hulse 和 Joseph Taylor 用 Arecibo 射電望遠鏡發現脈衝雙星 PSR 1913+16 後才首次得到明確驗證（敲黑板，並不是最近的 LIGO 實驗）。不過，不是所有的理論家都像愛因斯坦一樣偉大。科學史上，優美的理論預言最終沒能通過實驗的檢驗是再常見不過的事。

另一類未能實現的理論構想存在於工程設計中。很多童鞋可能都知道達·芬奇的「飛機」設計手稿，這裡我們說另外一個例子——英國數學家和工程師 Charles Babbage 最早在1837年設計出了一種叫分析機 (Analytical Engine) 的機械計算機。用現代的計算理論看，分析機就是一台圖靈完備 (Turing-complete) 的通用計算機，它有內存、有算數邏輯單元、有指令集、有條件與循環控制，編程方式很接近今天的彙編語言，理論上可以用純機械方式完成現代電子計算機的所有運算。1843年，英國數學家 Ada Lovelace（著名詩人拜倫的女兒）為分析機編寫了一段伯努利數的計算程序，被認為是地球上的第一隻程序猿。但是，分析機的複雜與精密程度超過了十九世紀機械工程的水平，Babbage 生前也沒能為此得到足夠的經濟支持，於是這個原本可以成為人類第一台通用計算機的偉大設計就永遠地停留在了圖紙上，直到一百年後電子計算機問世。

其實，今天我們研究的量子計算機很像當年 Babbage 的分析機——都是非常精妙的理論構想，但在工程實踐上都超前於時代，並且量子計算機的超前程度要遠大於分析機。今天的「量子演算法」研究者也很像當年的 Ada Lovelace——在給一台現實中還不存在的機器寫程序。探索未來是基礎研究非常迷人的地方；但我們同是要明白，不是所有構想都能成為現實，量子計算機從理論設計到真正問世中間有很長很長的路要走。

未來展望不用多說，舉一個例子就夠了：「二十一世紀是生命科學的世紀。」

事實、理論和展望在科研中都是必要的，但它們可靠性依次顯著降低。科技炒作的核心手段之一就是在宣傳中把構想當作事實，把主觀展望當作客觀結論。當下關於量子計算的種種「大新聞」大多如此。所以請大家在閱讀下文的時候特別注意三者的區別。分清這幾個概念，在我看來是比具體知識更重要的科學素養的體現。

（一）量子是個啥？

量子不是一種粒子，它在多數情況下是一個形容詞而不是名詞。它也不是指分立、不連續，而是一套自然規律的總稱——這套規律是人類現有認識範圍內物質世界的「基本法」。

用個類比：古時侯人們就懂得萬物生長靠太陽、種田栽樹要澆水施肥，這些都是農作物生長的規律；而現在我們知道，這些綠色植物生命活動的本質是細胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化學過程。物理世界也是如此。我們日常生活中接觸到的各種力、熱、電、光現象大多可以用建立於十七到十九世紀的經典物理學解釋；但進入二十世紀後，科學家們發現世界是由原子組成的，如果想從分子、原子水平的上更本質地理解自然現象，就必須引入一套與經典物理很不一樣的新規律，這就是量子力學。引用當代最知名的理論物理學家 Sheldon Cooper 博士的話：

Quantum physics makes me so happy. It』s like looking at the universe naked.

量子物理是人類迄今為止建立的最基礎、最精確的科學理論，現代物理學的主體就是量子力學在各種不同物質尺度上的具體延伸和應用。然而，依人們日常的經驗和直覺來看，這套規律非常詭異，尤其是下面三點：

量子疊加 (quantum superposition)：在量子世界中，物體可以同時處於不同狀態的疊加上。從另一個角度說就是「波粒二象性」。

量子糾纏 (quantum entanglement)：在量子世界中，相互作用的物體之間存在著一種不受距離限制的、用任何經典規律都無法解釋的關聯。這種關聯攜帶著信息，使得發生糾纏的各個物體處於一種不可分割的整體狀態，不能分別描述。著名的「薛定諤貓態」就是思想實驗中一隻貓和一個放射性原子的糾纏態（貓也因此成為了量子物理學家的圖騰，喵星人表示很無辜）。控制和利用量子糾纏，是量子信息處理的物理本質。

量子測量 (quantum measurement)：量子世界中不存在安靜的暗中觀察者，測量不是被動地讀取信息，而會根本地改變被測物體的狀態。它最簡單的表現就是「海森堡不確定關係」。量子測量的這種必須干擾被測物體的詭異屬性使得人們從量子系統中獲取信息變得極其困難。實際中，我們製造量子計算機遇到的大部分難題最終都能歸結到量子測量。

量子在不少人的印象中可能非常前沿甚至有點玄妙；但熟悉現代物理的童鞋都知道，量子力學正式建立距今已有九十多年，是一套相當成熟的科學理論。那麼今天的科學家又在研究什麼？按照理論造一台量子計算機不就完了？

不是這樣的。科學家對任何一種自然現象的研究必須經過「發現－理解－控制」三個階段之後才有可能將其轉化為實際應用。以我們比較熟悉電磁學為例：人們在古代就發現了雷電、磁石，在近代又發現了電流磁效應、電磁感應、電磁波……；經過庫倫、安培、法拉第、麥克斯韋等幾代科學家的努力，人們逐漸理解了各種電磁現象的內在規律，並最終形成了統一電、磁、光的經典電磁理論；與此同時，科學家們發明了萊頓瓶、伏打電堆、螺線管、電動機、發電機、天線等最基本的物理裝置來控制電磁場，使得人們最終可以利用這種自然力進行工程實踐，才有了後來的電氣革命和信息革命。

那我們對量子的研究走到哪一步了？量子的概念主要起源於19世紀末、20世紀初的一系列原子物理髮現；量子力學在1925年後建立並迅速成熟，但是這套完備的理論建立在一些詭異的基本原理之上，人們對這些基本原理的理解至今還很欠缺；不過真正要命的是，儘管量子力學可以用來解釋和預測海量的自然現象，「如何控制量子物體」的研究卻一度進展地相當緩慢——在1990年代之前，科學家都幾乎沒有控制單量子態的能力。由此導致的結果是，人類對量子力學的應用至今仍非常初級。類比來說，晶體管、激光、核磁共振、原子鐘這些發明對量子原理的開發程度，大概也就和指南針對電磁原理的開發程度差不多。簡言之，相比於對微觀世界的認識，人類在實驗上控制、測量量子系統的能力還很落後，這至今仍是量子技術發展的最大瓶頸。

（二）各種量子技術都是啥？

A. 涉及量子原理的經典機器

這一類發明大多在上世紀中期出現，包括晶體管、激光、原子鐘、核磁共振等等。

「涉及量子原理」是指這些儀器的核心工作原理都源自原子尺度上的、必須用量子力學解釋的物質性質——半導體的能帶、原子的受激輻射、超精細能級結構、原子核的自旋磁矩等。

那為什麼說它們是「經典機器」？這是因為這些儀器只是在微觀組成上涉及量子力學，人機交互的過程是完全經典的。例如，晶體管的功能來源於半導體中電子和空穴的運動；但是人使用晶體管不是去控制每一個電子和空穴，而是控制各個介面電壓、電流的輸入輸出。這裡的電壓、電流都是有大量微觀粒子參與的、完全經典的物理量，觀測不到什麼量子漲落 (quantum fluctuation)、不可同時測量之類的怪事。電路中的晶體管也不會處於開和關的量子疊加，晶體管之間也不會發生量子糾纏…… 所以，晶體管只是在工作的微觀原理上涉及量子現象，人使用晶體管的過程、用晶體管設計電子電路的方法則完全不涉及量子物理。

把晶體管、激光這類發明稱為量子技術很容易讓我們落入邏輯滑坡——萬物的微觀組成都是量子的，半導體是，木頭、棉線也是，那照著么說木工、針線活也都算是量子技術咯？因此，活在21世紀，我們需要明白：儘管微觀組成不同，激光器和縫紉機一樣屬於經典機器，真正的「量子機器」是我們需要依據量子力學原理來控制、使用的機器，比如——

B. 量子通信 (quantum communication)

激光、晶體管不算量子機器的本質上是因為人們在這些儀器中控制的只是大量微觀粒子的集體運動，而不能對單個原子、電子或光子的量子態進行單獨操控。人類在單量子態水平上的第一種工程實踐直到上世紀末才出現，那就是量子通信。

量子通信直白地說就是「量子電報」。傳統電報機收發的是經典電磁波，信息載入在電磁波的幅度、頻率或者相位上；「量子電報機」收發的是單個光學頻率的光子，信息載入在光子的不同量子態上。量子通信的物理基礎就是單光子的產生、操縱、傳輸和測量。

量子通信最早的理論方案在1984年和1991年被分別提出，1992年第一次得到了實驗的原理性驗證，隨後在科學家們的努力下向著距離更長、裝置更簡單實用的方向發展。此中貢獻尤其大的是瑞士日內瓦大學的 Nicolas Gisin，他領導的實驗室除了一系列使用糾纏光子實現量子通信的標誌性實驗外，最重要的是在1997年發明了不用糾纏光子的「plug & play」實驗方案，成為實用量子通信的經典方法。1995年， Gisin 實驗室借用瑞士電信公司跨日內瓦湖的湖底光纖，在日內瓦和尼永 (Nyon) 兩個相距23公里的城市之間實現了第一次長距離戶外量子通信。Gisin 與同事創辦的 ID Quantique 公司於2003年實現了量子通信的商業化。2007的瑞士大選中，日內瓦大學與 ID Quantique 為日內瓦州的電子選票傳輸提供了量子加密，這是量子通信技術第一次被官方公開使用。此外，美國的 MagiQ Technologies 和法國的 Smart Quantum 公司等也很早都開始提供商業化的量子加密服務。

那麼，這種收發單個光子的「量子電報機」究竟強大在哪？人群中對此流傳著幾個誤解：

誤解一（低級錯誤）：量子通信可以超光速

不可以。所有利用了量子糾纏的量子通信方案同時還都需要一個經典信道的輔助，而經典通信不可以超光速。

誤解二（中級錯誤）：量子通信比經典通信更快

不是。量子通信的主要意義不是加速，而是保密。它傳遞的不是信息正文，而是加密密鑰（也就是余則成藏在抽屜里的密碼本）。量子通信的實際應用通常也被稱為量子密碼學 (quantum cryptography) 或量子密鑰分發 (quantum key distribution)。經過量子加密的信息正文依然是由普通通信方式傳遞的。

誤解三（高級錯誤）：量子通信是絕對保密的

並不是。正確的說法是：在理想條件下，量子通信在信息傳輸過程中是無條件安全的。特別地，這種的安全保障並非來自加密的數學複雜度，而是測量必須干擾量子態、未知量子態不可複製等基本物理原理——這是量子加密與經典加密最本質的區別。

然而，量子通信的安全性只是理想條件下的數學結論——假設光子傳輸過程中沒有損耗、假設單光子態的製備、測量是完美的等等，很顯然這些條件在實際中都不成立。在2008年到2010年間，就至少有三個利用由實際中非理想條件導致的安全漏洞攻擊 ID Quantique 或 MagiQ 商用量子通信系統的實驗取得了成功，從事實上證明了第一代量子加密技術絕非不可破解。現實條件下量子通信的安全問題和優化方式目前仍是一個活躍的研究領域。

更重要的是，量子通信的安全範圍僅限於光子的傳輸過程中；而一個完整的通信過程至少包括編碼、發送、傳輸、接收、解碼幾個步驟，量子力學定律可以保證密鑰在理想的量子信道中不被竊聽，但對收發兩端的經典安全問題無能為力。這一點其實讓量子通信的實用價值大打折扣——在現代保密系統中，安全隱患不僅出現在傳輸過程中，還經常出現在收發兩端。所以，儘管物理學家一直在大力宣傳量子通信，不少信息安全專家卻對此持有懷疑——不可否認，量子通信是非常有趣的物理實驗，但它在現實中真正對信息安全有多大提高還存在疑問。鑒於這些實際問題，儘管量子通信的基礎研究在1990年代就已非常火熱（瑞士之外比較有代表性的還有奧地利維也納大學、美國 Los Alamos 國家實驗室、伊利諾伊大學、IBM 實驗室、英國電信實驗室等），進入新世紀之後卻逐漸降溫，除了小範圍之外沒有得到大規模的應用和政府支持，直到2017年中國的量子保密通信「京滬幹線」開通。

如此說來，量子通信的意義到底在哪？我認為客觀地說，量子通信的基礎研究意義大於實用價值。且不談量子加密在實際中的安全問題，保密通信本身在科技發展的大局中也只是一件小事。但是，量子加密技術的基礎是1980年代以來一輪量子物理的重大進展——利用光學光子研究量子糾纏。這輪研究的主要動機是對量子力學基本問題的探索——在此之前，人們對量子力學詭異屬性的理解主要限於量子疊加，對更加詭異的量子糾纏、特別是糾纏和測量結合後出現的一些嚴重挑戰經典世界觀的深刻問題主要限於哲學討論，而缺乏科學實驗。這其中最著名的就是量子非定域性 (quantum non-locality) 檢驗，它將直接判明經典世界觀中的局域因果性 (local casuality) 和客觀實在性 (objective reality) 是否在真實世界中同時存在。對此的實驗探索起源於1970年代的美國，但最關鍵的工作主要出現在歐洲——除 Nicolas Gisin 外，最具代表性的還有法國光學研究所 (Institut d』optique) 的 Alain Aspect 和奧地利維也納大學的 Anton Zeilinger 等。這一領域的科學家們在二三十年間通過一系列基本而巧妙的光子實驗極大地深化了人類對於量子糾纏的理解，讓量子力學通過了最嚴苛的檢驗；同時積累了大量製備、操縱、測量單光子的實驗技術，並開始思考量子糾纏的實際應用，直接導致了量子通信技術的誕生。這在我的理解中是當代量子科技的第一個里程碑。即使當前實用價值有限，理解和控制量子糾纏都是構造更複雜量子機器的必要前提，比如——

C. 量子計算 (quantum computing)

量子計算機不是「下一代計算機」，不是電子計算機的升級版，而是科學家構想中的一種高度複雜、高度可控的人造量子系統，兼具信息處理的功能。量子計算機是人類當前設想中最複雜、實現難度最大的量子機器，一旦建成對科學和社會的影響也最深遠。

量子計算是本文之後全部內容的主角。

此外，量子技術還包括量子模擬（quantum simulation）、量子感測 (quantum sensing) 等。

（三）量子計算機有啥用？

先澄清一種流言：量子計算機一旦做成，直接秒殺經典計算機。

正確的說法是：理論構想中的大型、通用、容錯量子計算機會在幾類特定問題上有超出經典機器的計算能力。

量子計算機和「摩爾定律」到沒到頭關係不大。

量子計算機並不是一種更快的計算機。它在邏輯、輸出方式等方面與經典計算機根本不同，其中最本質的就是量子糾纏的存在。在量子信息學的觀點中，量子糾纏是與物質、能量、信息並列的一種自然資源，利用好這種資源能使量子計算機發揮出巨大威力。但是，如何用它設計更快的演算法，在理論上就是很大的挑戰。目前，對絕大多數計算問題，理論家們都還沒有找到超過經典演算法的量子演算法；但在一些特殊問題上確實有了新的發現。哪些問題呢？最早發現的主要有兩類：一類可以歸結為質因數分解（Shor 演算法），比已知最快經典演算法有指數加速（準確說是超多項式加速）；另一類可以歸結為無序搜索（Grover 演算法），比經典演算法有多項式加速。

Shor 演算法和 Grover 演算法分別於1994年和1996年被提出，可以說是它們的發現引起了科學界對量子計算的真正重視——儘管量子計算的初步概念在80年代初就已出現，但十幾年來都只是很小圈子內的理論遊戲，被認為既無法實現也沒有用處；Shor 演算法和 Grover 演算法終於為量子計算機找到了可能的實際應用。其中 Shor 演算法的影響尤其大——現代密碼學中，幾類常用的公鑰系統包括 RSA (Rivest–Shamir–Adleman) 和 ECC (elliptic-curve cryptography) 等的基本加密原理都可歸結為大數分解的計算複雜度。因此量子計算機一旦出現，將給現有的信息安全帶來巨大威脅。

不過這種威脅並不緊急——想運行 Shor 演算法破解密碼需要有至少上百萬個量子比特的通用、容錯量子計算機，這其中的任何一個詞在短時間內都無法實現。並且，關於量子計算機無法破解的「後量子時代加密技術」的研究也已經有了不少成果。所以，單是破密碼這類「黑客活動」並不會賦予量子計算機科技革命式的重要意義。在 Shor 和 Grover 演算法提出後的十來年裡，再沒有第三類重要的量子演算法被發現，量子計算理論的發展一度走向平緩。

但新的突破在2008年出現—— Aram Harrow、Avinatan Hassidim 和 Seth Lloyd 提出了 HHL 演算法：在一系列前提假設下，量子計算機可以在對數複雜度內求解一些特殊的線性方程組。這讓這個領域又一次火了起來——與 Shor 演算法只有「黑客應用」不同，線性方程組在現代計算中可以說是無處不在。特別地，它是很多擬合、推斷、優化問題的基礎。HHL 的各種衍生演算法與這些年人工智慧的熱潮結合，讓這類研究有了個不能更時髦的名字——量子機器學習，這也讓量子計算機第一次擁有了商業價值。更好的是，一些量子機器學習演算法只需要有50到100個量子比特的小型量子計算機就能展現出優勢，這在當前實驗發展的趨勢下並非遙不可及。在潛在利潤的驅動下，從2011年開始，特別是2014年之後，各大商業公司開始紛紛關注量子計算。這也是量子計算開始在各種媒體上頻繁出鏡的時候。

該說但是的時候又到了。HHL 演算法與之前的 Shor 演算法和 Grover 演算法有根本的不同——嚴格地說 HHL 不是一個具體演算法，而是一個在特殊假設和限制條件下的演算法模版，或者說是一個完整演算法的一部分。它沒有回答數據應該怎樣讀入讀出，沒有回答如何才能讓量子計算機按照給定的參數演化，並且有非常苛刻的適用範圍。任何一個細節條件不滿足，量子加速都會消失。以 HHL 為模版設計一個具體演算法就需要填補上這些細節，但極少有實際問題滿足全部的限制條件，且滿足這些條件的特殊問題很多時候都有更好的經典演算法（各種量子機器學習演算法中聲稱的加速絕大多數都是在用特殊條件下的量子演算法和通用的經典演算法做比較）。當前量子機器學習的研究多是在抽象地發掘量子演算法在某些計算步驟中的優勢，而少有人下大功夫考慮具體問題和完整的計算過程。簡言之，理論家們找到了演算法模版，但還沒有明確落實可以使用這套模版的具體問題，也沒有可以運行這套演算法的機器。因此，現在我們的結論只能是：量子演算法有希望加速機器學習中的某些步驟，但具體該怎樣做還有待研究。

以上似乎有些悲觀：量子計算機短時間內在傳統的計算問題上還沒有清晰明確的應用。但其實從物理學家的視角看，量子計算機最有價值的潛在應用並不是傳統意義上的計算，而是量子模擬 (quantum simulation)——自然界中原子、分子的微觀過程遵守的都是量子力學；可由於量子糾纏的存在，再強大的經典計算機也不能對規模稍大的量子系統（比如幾十個原子）進行嚴格求解，而只能藉助近似（密度泛函、Monte Carlo 等），這就是現代計算物理、計算化學的核心。然而，量子計算機就是一台自帶量子糾纏的機器，最適合在編程之後模擬待研究的複雜量子系統，也就是用量子機器求解量子問題。最原始的量子模擬在近二十年里已經是冷原子物理的重要方向，但它真正發揮出威力還是要等量子計算機的出現。那時，凡是涉及大量微觀粒子的研究，例如凝聚態物理、量子化學、分子生物學都將發生很深刻的變革；相應的應用學科，例如材料合成、藥物研發等，也都會有很本質的改變。

說了這麼多，量子計算機到底有啥用？量子計算起源於好奇心驅動的思維遊戲，近二十年有了堅實的實驗進展，但它在短期內還將是一種基礎研究，沒有立即可操作的實際應用。可從長遠來說，它將給給現有的計算理論帶來深刻變革，將極大加深人類對物質與信息的理解；特別地，它將是一種前所未有的計算微觀世界的強大工具。類比來說，量子計算機像是計算機中的火箭。火箭再強大，也不能取代火車、汽車、自行車，因為它們的根本用途不同。同理，量子計算機價值的並不是取代經典計算機，甚至主要不在於加速傳統計算，而是在於一些經典計算機不能解決的特殊問題，比如複雜微觀系統的模擬。量子計算並不是「後摩爾時代」的計算，它與傳統的微電子是兩個目標不同、平行發展的領域，不可以相互替代。未來量子計算機的第一波應用也將是對科學的意義大於對商業，對科學家的意義大於對普通人。

所以，現在的程序員們大可繼續安居樂業。研究奇怪的新機器就交給一小撮量子發燒友就好啦～

（四）量子計算機怎麼做？

量子計算機是用「原子」和光子做的。更確切說，是直接用「原子」和光子做的。這裡的「原子」既可以是天然原子，也可以是固體系統中的「人造原子」；光子有的在光學頻率，有的在微波頻率。

量子計算機運行的物理過程，就是單量子尺度上的原子－光子相互作用。這是人類有史以來最精巧的物理實驗之一。

量子力學主要是微觀粒子的科學。但是在它創立之初，科學家們沒有能力在實驗上控制單個微觀粒子，以至於玻爾、海森堡、薛定諤、愛因斯坦這一代前輩們只能在腦子裡做單個粒子的思想實驗，例如關著一個光子的盒子、觀測單個電子的顯微鏡之類。真的在實驗中做到這些一度被認為是根本不可能的。

1971年在巴黎高等師範學院，一位叫 Serge Haroche 的博士生用光學泵浦 (optical pumping) 方向的課題參加答辯。一位評委問他：「你的實驗中有大量的原子和光子，為什麼要用量子理論去描述呢？」 Haroche 回答：「老師，有一天我會用一個光子做這個實驗。」

這是 Serge Haroche 在他的 Nobel Lecture 上講的。2012年，他與 David Wineland（美國國家標準與技術研究所 NIST）因為首先實現單個原子和光子之間的非破壞測量與控制獲得諾貝爾物理學獎。Haroche 的實驗系統叫腔量子電動力學 (cavity quantum electrodynamics)——讓處於極高激發態的原子一個個地飛過微波腔，與腔中囚禁的一個或幾個光子相互作用，用原子控制和測量光子的量子態；Wineland 的實驗系統叫離子阱 (ion trap)——用激光冷卻和射頻電場囚禁一個或幾個帶電離子，再用電磁場和激光對離子進行量子操縱和測量。

腔量子電動力學實驗概念圖（巴黎高等師範學院 Serge Haroche 實驗室）

Paul 離子阱實驗概念圖（奧地利因斯布魯克大學 Rainer Blatt 實驗室）

腔量子電動力學和離子阱實驗剛開始時，量子計算的概念還很不受重視。它們本來也只是純粹的基礎物理研究。但是到了90年代後期，大家開始意識到單量子態的操縱和測量就是量子計算的基礎。隨後，物理學家又在幾類不同的物質系統（超導量子電路、半導體量子點、固體缺陷等等）中實現了非常可靠單量子態控制，宣告了量子計算實驗研究的開始——在我的理解中這是當代量子科技的第二個里程碑。如果把未來的「量子工程」比作建高樓，那麼這一步就好比是學會了燒磚。人類從此可以開始以高度可控的方式操縱量子世界的基本單元，逐漸構建複雜的人造量子系統。

每一種高度可控的單量子系統理論上都有可以作為量子計算機的基本組成。然而在實際中，不同的物理方案的差別很大。目前最領先的量子計算實驗系統只有兩種——一個是離子阱，另一個是超導量子電路。

用電磁場囚禁帶電離子的研究從1950年代就已經開始。Paul 阱和 Penning 阱的發明人—— Wolfgang Paul（德國波恩大學）和 Hans Dehmelt（美國西雅圖華盛頓大學）在1989年分享了諾貝爾物理學獎。1970年代，原子的激光冷卻技術出現並迅速應用於離子阱；1989年，David Wineland 實驗室首次實現了汞離子的基態冷卻，離子阱走入量子時代。早期，離子阱主要的發展動力是精密測量，例如測量電子反常磁矩、提供超高精度頻率標準（原子鐘）等。直到1995年，科學家們才意識到這是一個非常理想的量子計算平台。21世紀的頭十年里，離子阱幾乎在各類量子計算實驗系統中保持絕對領先，它最明顯的優勢有：

乾淨：單個或幾個離子是乾淨的無雜質系統，量子相干時間很長。

精密：離子的量子邏輯門和測量的保真度 (fidelity) 很高。

容易多體糾纏：任意兩個離子之間都可以相互作用（產生糾纏）。另外，自然中的同種原子是完全相同的，離子阱也特別適合模擬量子多體系統。

而然它的劣勢也是明顯的：

慢：天然原子與光子的相互作強度有限，導致離子的控制和測量都很慢（大概比超導量子電路慢一千倍）。

實驗手段複雜：冷原子類實驗都需要非常精巧複雜的激光、真空和電磁場裝置。

集成困難：離子依靠電磁場「懸浮」在阱中。同一個阱中最多也就囚禁十幾到幾十個完全可控的離子，直接大規模集成幾乎沒有可能。

在離子阱的研究者試圖攻克這些難題的時候，一種很不一樣的系統開始逆襲。

量子理論自創立之初就一直有個重大疑問：這套理論究竟是只適用於微觀粒子，還是也適用於宏觀物體？這與量子糾纏一樣都是歷史遺留問題，長期只有理論爭辯而沒有實驗進展。1982年，一支伯克利加州大學的三人小組——英國物理教授 John Clarke、法國博士後 Michel Devoret 和美國博士生 John Martinis，開始用一種叫 Josephson 結的超導體－絕緣體－超導體三明治結構試圖觀測宏觀量子現象；幾年之後，他們通過宏觀量子隧穿和微波譜的測量得到了明確結論——在極低溫下，Josephson 結的宏觀相位遵守量子力學規律。特別的是，這裡的宏觀量子現象不是指「大量量子力學粒子組成的宏觀物體（例如超導體）」，而是一個必須用量子力學描述的宏觀自由度（Josephson 結相位）。儘管這個人造器件中有幾百億甚至更多的原子，它們的一個集體運動自由度卻是量子的，我們可以像控制單個原子一樣控制這個超導器件。因此，這類包含 Josephson 結的宏觀量子器件也被稱為超導人造原子 (superconducting artificial atom)，它們組成的電路就是超導量子電路 (superconducting quantum circuits)。

2000年前後，世界各地的多個實驗團隊（法國 Saclay 原子能研究所、日本 NEC 基礎研究室、荷蘭 Delft 理工學院、美國國家標準與技術研究所 NIST 等）先後實現了幾類不同超導人造原子的量子疊加。2004年，耶魯大學 Robert Schoelkopf 實驗室首先觀察到單個微波光子與超導人造原子的相互作用，這類實驗系統被稱為電路量子電動力學 (circuit quantum electrodynamics)。2007年和2009年，耶魯大學 Robert Schoelkopf 實驗室和 Michel Devoret 實驗室發明了兩種目前最重要的超導人造原子——transmon 和 fluxonium。接二連三的重要進展讓超導量子電路在十年內迅速成為最有希望的量子計算系統之一。

一些重要的超導人造原子：

左上：超導電荷量子比特（日本 NEC 基礎研究室蔡兆申實驗室）

左下：超導磁通量子比特（荷蘭 Delft 理工學院 Hans Mooij 實驗室）

中上：超導相位量子比特（聖芭芭拉加州大學 John Martinis 實驗室）

中下：quantronium 人造原子（法國 Saclay 原子能研究所 Michel Devoret 實驗室）

右上：transmon 人造原子（耶魯大學 Robert Schoelkopf 實驗室）

右下：fluxonium 人造原子（耶魯大學 Michel Devoret 實驗室）

電路量子電動力學實驗概念圖（耶魯大學 Robert Schoelkopf 實驗室）

超導量子電路最大優勢在於它是一套可以在宏觀尺度上對光子和「原子」進行相互控制和測量的「人造工具箱」。它的各種參數和性質不是由大自然設定，而是可以通過設計在很大範圍內進行調整，讓科學家可以通過工程方法解決各種實驗問題。這使得它相比天然原子

快：通過器件設計可以增大「原子」－光子相互作用強度，實現納秒速度的量子邏輯門。

實驗手段簡化：超導量子電路需要在 20 mK（絕對零度之上0.02攝氏度）以下的極低溫工作，這用目前已經商品化的稀釋制冷機 (dilution refrigerator) 很容易實現，無需各種複雜的激光冷卻和囚禁裝置。

作為固體器件，很容易通過現代微納加工進行大規模集成。

但是超導量子電路也有不少缺點。人造原子終究沒有天然原子乾淨完美，超導量子電路在量子相干時間、邏輯門準確度、頻率穩定性等方面一直都不如離子阱。但科學家們一直在不斷通過新的器件設計來試圖解決這些問題——超導人造原子的相干性在十幾年內已經提高了十萬倍（從最初的幾納秒到現在的上百微秒）。這幾年來，超導量子電路已經成為最受關注的量子計算技術，在學界和業界都很受青睞。

除此之外，比較熱門的量子計算實驗系統還有固體缺陷（金剛石色心、碳化硅色心等）、半導體量子點等。但是，離子阱和超導量子電路目前處於明顯的領先狀態，我認為有兩個根本原因：

基本組成簡單。人們對單個原子的結構和低溫超導體的性質已經相當清楚。

控制方法成熟。激光和微波技術都已經經過了半個多世紀的發展，激光冷卻和稀釋製冷目前也都相當成熟。

這使得物理學家不再需要花很大精力研究「原子」和光子本身，而是可以把它們作為可靠的基本工具來構造更複雜的量子系統。而很多關於固體缺陷和量子點的研究重點還是製備、控制方法和基本物理性質，它們是非常有價值的物理和材料研究，但是在量子計算的水平上暫時與離子阱和超導量子電路不處在同一個發展階段。此外，中性原子、線性光學等系統在基本的原理驗證上有一定意義，但一般認為在實用方面的發展空間比較有限。

最後需要單獨一提的是「拓撲量子計算 (topological quantum computing)」，它基於一種理論預言中的非阿貝爾任意子 (non-Abelian anyon)——Majorana 費米子。過去五年間，已有多個實驗室在固體系統中觀察到了 Majorana 費米子存在的跡象，但至今仍未確定，也無法對其進行任何量子操作。準確地說，當前的「拓撲量子計算」是一種以量子計算為潛在應用的凝聚態物理研究，而非真正的量子計算研究，處於基本單元尚未發現的最初構想階段。這個方向近幾年熱度很高，但它還屬於基礎的凝聚態物理，暫時不應該和其他量子計算實驗系統並列起來，相互比較沒有太大意義。

不同實驗系統之間孰優孰劣一直是大家津津樂道的話題。然而絕大多數宣傳（包括學術論文和報告）的基本思路就是以己之長比他人之短，為自己的方案吸引關注、申請經費，撕來撕去沒有什麼客觀結論。從我自己的角度認為，

所有實驗系統都為量子計算的原理驗證做出了貢獻

離子阱和超導量子電路暫時領先

超導量子電路更接近一種靈活實用的工程系統，未來的設計空間和發展潛力更大（當然這屬於展望，我很有可能是錯的～）

（五）當前量子計算實驗研究的各路高手都是誰？

離子阱和超導量子電路作為最領先的實驗系統，已經開始出現「巨頭壟斷」的趨勢——在長期的經驗積累下，個別超一流實驗室已經和其他競爭者拉開了一個身位。這種優勢並不只是技術領先，更重要的是所挑戰問題的難度、複雜性和前瞻性。這些超一流實驗室全都在美國和歐洲。

目前，全世界大概有三十幾個離子阱實驗室。積累最深、影響力最大的除諾獎得主 David Wineland 外，還有美國馬里蘭大學的 Christopher Monroe 團隊和奧地利因斯布魯克大學的 Rainer Blatt 團隊。這兩個實驗室在實現多體量子糾纏、嘗試量子糾錯以及離子阱技術實用化等方面都走在全世界的最前列。

超導量子電路實驗室全世界也已經有了幾十個。其中處於最核心位置的有兩個，分別在美國東西海岸——東海岸的耶魯大學和西海岸的聖芭芭拉加州大學/Google。它們各自的掌門人就是當年伯克利宏觀量子隧穿三人小組中的兩位年輕人。

1984年，Michel Devoret 在兩年博士後之後回到法國，在法國原子能研究所 (CEA Saclay) 建立了自己的實驗室。與法國物理學家 Daniel Esteve 和 Christan Urbina 一起，他們的 Quantronics 實驗室在九十年成為世界著名的介觀超導結構單電子輸運研究組，致力於探索宏觀電路的量子效應，最終在1998年在2002年分別發明了超導電荷量子比特 (Cooper pair box) 和 quantronium 人造原子。2002年，Devoret 與因研究分數量子霍爾效應聞名的理論物理學家 Steven Girvin 一起加入耶魯大學，與當時年輕的助理教授 Robert Schoelkopf 組成了密切合作至今的「三駕馬車」。耶魯團隊2004年發明了電路量子電動力學結構，成為當前超導量子電路最核心的控制和測量方法；2007年發明 transmon 人造原子；2009年發明 fluxonium 人造原子；2010年發明量子極限放大器，實現 single-shot 量子非破壞測量；2010年首創三維電路量子電動力學；2013年提出 cat-code 量子糾錯碼；2016年實現超導電路的遠程量子糾纏 (remote entanglement)…… 可以說，耶魯團隊在過去15年間貢獻了當前超導量子計算主要的電路結構與控制、測量方法，並且目前在邏輯量子比特、遠程量子糾纏、量子極限測量等方面都在領跑世界。

1987年，John Martinis 博士畢業，在 Michel Devoret 實驗室做過博士後之後，加入美國國家標準和技術研究所 (NIST) ，成為低溫超導器件的專家，並在2002年發明超導相位量子比特。2004年，Maritnis 加入聖芭芭拉加州大學 (UCSB)，此後十年與同門師弟、納米力學專家 Andrew Cleland 密切合作，實現了多種量子電路構架，在材料、工藝等工程細節方面尤其精湛，特別注重實驗設計的實用性。2014年，Martinis 實驗室全員被 Google 收購，開始著力於具有一定規模的實用量子晶元的研究，目前在平面量子電路的複雜度和技術質量上保持領先。

除了兩大領頭羊外，全世界還有十來個原創能力較強的超導量子電路實驗室。其中，美國伯克利加州大學、芝加哥大學、普林斯頓大學、馬里蘭大學、瑞士蘇黎世聯邦理工學院、荷蘭 Delft 理工學院、法國原子能研究所、巴黎高等師範學院的實驗室都是由耶魯團隊曾經的學生和博士後帶領。此外，美國 IBM Watson 研究中心和麻省理工學院林肯實驗室各有一支人數很多、工程執行力很強的研究團隊。日本理化研究所 (RIKEN)、瑞典 Chalmers 理工學院也有競爭力較強的實驗室。

其它量子計算系統也都有各自的超一流實驗室，例如（不完整名單）

金剛石、碳化硅色心：德國斯圖加特大學 J?rg Wrachtrup、荷蘭 Delft 理工學院 Ronald Hanson、美國芝加哥大學 David Awschalom、哈佛大學 Mikhail Lukin……

半導體量子點：美國普林斯頓大學 Jason Petta、哈佛大學 Amir Yacoby、荷蘭 Delft 理工學院 Lieven Vandersypen……

「拓撲量子計算」：荷蘭 Delft 理工學院／微軟 Leo Kouwenhoven、丹麥哥本哈根大學／微軟 Charles Marcus……

不過與離子阱和超導量子電路非常關注量子系統的設計、控制和測量不同，量子點與「拓撲量子計算」當前最關鍵的主要還是材料和工藝，更接近基礎的凝聚態物理；固體色心除了量子信息，還在納米光子學、材料和生物成像等方面有不少應用。所以這些系統還沒有那麼「巨頭壟斷」，一流研究組比較多，新實驗室的發展機會也更多。