王之鑫，耶魯大學(xué)應(yīng)用物理系博士在讀

更新（03-19-2018）：感謝大家三天來的關(guān)注和反饋。量子通信的部分略有修改，一些細(xì)節(jié)語言更嚴(yán)謹(jǐn)了些。另外，實(shí)際條件下量子通信的安全性分析是一個(gè)復(fù)雜的研究方向，科學(xué)家們也一直在為減少實(shí)用量子通信的安全漏洞不懈努力。對(duì)此感興趣的童鞋可以參考下面三篇綜述長(zhǎng)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)

本人坐標(biāo)耶魯大學(xué)，是 Devoret-Schoelkopf 超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室迄今唯一本科來自中國的博士生。

文章很長(zhǎng)，分為九個(gè)獨(dú)立的問題，可分別閱讀：

（一）量子是個(gè)啥？

（二）各種量子技術(shù)都是啥？

（三）量子計(jì)算機(jī)有啥用？

（四）量子計(jì)算機(jī)怎么做？

（五）當(dāng)前量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的各路高手都是誰？

（六）量子計(jì)算到底難在哪？進(jìn)展到哪一步了？

（七）量子計(jì)算何時(shí)商業(yè)化？

（八）中國的量子計(jì)算處于什么水平？

（九）結(jié)束語：我們?yōu)槭裁囱芯苛孔佑?jì)算？

不過在長(zhǎng)篇大論之前想先喊幾句：

1. 量子計(jì)算機(jī)不是摩爾定律的延續(xù)，沒有理由取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)
2. 在現(xiàn)階段，“量子比特?cái)?shù)大戰(zhàn)”是沒有意義的
3. 近幾年量子計(jì)算“商業(yè)化”的泡沫極多，各種項(xiàng)目魚龍混雜
4. 中國的量子科技有個(gè)別亮點(diǎn)，但總體顯著落后于美國和歐洲

這兩年來，自己在被看過各種新聞的小伙伴們不停地問：

量子計(jì)算機(jī)還要多久才能造出來？聽說馬上就要／已經(jīng)造出來啦？......

量子計(jì)算是不是快要商業(yè)化了？有了量子計(jì)算機(jī)，IT 產(chǎn)業(yè)會(huì)徹底顛覆嗎？程序員會(huì)大量失業(yè)嗎？......

中國是不是也要造出量子計(jì)算機(jī)了？中國的量子科技世界領(lǐng)先嗎？你們實(shí)驗(yàn)室做得過中科大嗎？......

問話地點(diǎn)包括但不限于餐桌、微信、劇場(chǎng)、超市、洗手間等。由此意識(shí)到兩件事：開心的是自己的領(lǐng)域最近確實(shí)在受到不一般的關(guān)注；但尷尬的是大家平時(shí)接觸到的有關(guān)量子計(jì)算的報(bào)道（哪怕來自看似“專業(yè)”的媒體）幾乎都帶著很強(qiáng)的宣傳甚至營(yíng)銷風(fēng)格，極少會(huì)用科學(xué)的態(tài)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(chǎng)科技革命，還是又一輪商業(yè)炒作。這實(shí)在令人遺憾——在信息最發(fā)達(dá)的時(shí)代，鋪天蓋地的新聞卻多是噪聲，普通人依舊沒什么機(jī)會(huì)弄清熱門話題的真相。

這也是我動(dòng)筆的主要原因——我希望更多理性的童鞋能了解一些有關(guān)量子計(jì)算的事實(shí)。

本文主要面向非專業(yè)讀者，只需要基本的物理和信息技術(shù)常識(shí)即可。本文也不是學(xué)術(shù)論文，重點(diǎn)是介紹這個(gè)領(lǐng)域的整體圖像、主要挑戰(zhàn)，盡量不涉及太多知識(shí)細(xì)節(jié)。其實(shí)與當(dāng)下的其它科技熱潮（例如人工智能）相比，量子計(jì)算、尤其是它的物理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)規(guī)模很小、離生活較遠(yuǎn)、有相當(dāng)專業(yè)門檻的嚴(yán)肅科學(xué)領(lǐng)域（量子力學(xué)只是其中最最基本的知識(shí)），想通俗但準(zhǔn)確地把事兒說明白挺不容易。但我會(huì)努力嘗試滴～ 不過最重要的是——區(qū)分什么是科學(xué)、什么是炒作：（預(yù)覽一下正文第六部分的幾條屢試不爽的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)）

1. 當(dāng)前所有以量子比特?cái)?shù)作為首要亮點(diǎn)的“進(jìn)展”幾乎都是炒作
2. 所有在新聞媒體上首發(fā)或大肆渲染的“進(jìn)展”幾乎都是炒作
3. 所有在朋友圈里大量轉(zhuǎn)發(fā)、被非專業(yè)人群大量關(guān)注的“進(jìn)展”幾乎都是炒作
4. 在現(xiàn)階段，所有“多少年后做出量子計(jì)算機(jī)”的承諾都是炒作

車輛起步，請(qǐng)扶穩(wěn)坐好。［本文談到的所有進(jìn)展都已經(jīng)公開發(fā)表，不會(huì)透露任何實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部消息和圖片］

首先也最重要的是，我們?cè)谡務(wù)撊魏慰萍歼M(jìn)展的時(shí)候都必須分清三個(gè)概念：科學(xué)事實(shí)、理論構(gòu)想、未來展望。

科學(xué)事實(shí)必須是清晰、準(zhǔn)確、可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。確鑿的實(shí)驗(yàn)事實(shí)是最扎實(shí)的科學(xué)知識(shí)。例如，氫原子有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，正常人有23對(duì)染色體等等。當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的研究也是建立在非常堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上——后面會(huì)講到，在過去的二十多年里，科學(xué)家已經(jīng)在量子物理的兩條新戰(zhàn)線上分別取得了里程碑式的重大進(jìn)展。

理論構(gòu)想是依據(jù)已知科學(xué)事實(shí)、通過邏輯推演得出的預(yù)言或設(shè)計(jì)。再精妙的理論構(gòu)想也要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)之后才能被稱為事實(shí)。例如，1916年，愛因斯坦在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上提出了引力波的預(yù)言；但是這個(gè)構(gòu)想直到1974年天體物理學(xué)家 Russell Hulse 和 Joseph Taylor 用 Arecibo 射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖雙星 PSR 1913+16 后才首次得到明確驗(yàn)證（敲黑板，并不是最近的 LIGO 實(shí)驗(yàn)）。不過，不是所有的理論家都像愛因斯坦一樣偉大?？茖W(xué)史上，優(yōu)美的理論預(yù)言最終沒能通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)是再常見不過的事。

另一類未能實(shí)現(xiàn)的理論構(gòu)想存在于工程設(shè)計(jì)中。很多童鞋可能都知道達(dá)·芬奇的“飛機(jī)”設(shè)計(jì)手稿，這里我們說另外一個(gè)例子——英國數(shù)學(xué)家和工程師 Charles Babbage 最早在1837年設(shè)計(jì)出了一種叫分析機(jī) (Analytical Engine) 的機(jī)械計(jì)算機(jī)。用現(xiàn)代的計(jì)算理論看，分析機(jī)就是一臺(tái)圖靈完備 (Turing-complete) 的通用計(jì)算機(jī)，它有內(nèi)存、有算數(shù)邏輯單元、有指令集、有條件與循環(huán)控制，編程方式很接近今天的匯編語言，理論上可以用純機(jī)械方式完成現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的所有運(yùn)算。1843年，英國數(shù)學(xué)家 Ada Lovelace（著名詩人拜倫的女兒）為分析機(jī)編寫了一段伯努利數(shù)的計(jì)算程序，被認(rèn)為是地球上的第一只程序猿。但是，分析機(jī)的復(fù)雜與精密程度超過了十九世紀(jì)機(jī)械工程的水平，Babbage 生前也沒能為此得到足夠的經(jīng)濟(jì)支持，于是這個(gè)原本可以成為人類第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的偉大設(shè)計(jì)就永遠(yuǎn)地停留在了圖紙上，直到一百年后電子計(jì)算機(jī)問世。

其實(shí)，今天我們研究的量子計(jì)算機(jī)很像當(dāng)年 Babbage 的分析機(jī)——都是非常精妙的理論構(gòu)想，但在工程實(shí)踐上都超前于時(shí)代，并且量子計(jì)算機(jī)的超前程度要遠(yuǎn)大于分析機(jī)。今天的“量子算法”研究者也很像當(dāng)年的 Ada Lovelace——在給一臺(tái)現(xiàn)實(shí)中還不存在的機(jī)器寫程序。探索未來是基礎(chǔ)研究非常迷人的地方；但我們同是要明白，不是所有構(gòu)想都能成為現(xiàn)實(shí)，量子計(jì)算機(jī)從理論設(shè)計(jì)到真正問世中間有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走。

未來展望不用多說，舉一個(gè)例子就夠了：“二十一世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)?！?/p>

事實(shí)、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(gòu)想當(dāng)作事實(shí)，把主觀展望當(dāng)作客觀結(jié)論。當(dāng)下關(guān)于量子計(jì)算的種種“大新聞”大多如此。所以請(qǐng)大家在閱讀下文的時(shí)候特別注意三者的區(qū)別。分清這幾個(gè)概念，在我看來是比具體知識(shí)更重要的科學(xué)素養(yǎng)的體現(xiàn)。

（一）量子是個(gè)啥？

量子不是一種粒子，它在多數(shù)情況下是一個(gè)形容詞而不是名詞。它也不是指分立、不連續(xù)，而是一套自然規(guī)律的總稱——這套規(guī)律是人類現(xiàn)有認(rèn)識(shí)范圍內(nèi)物質(zhì)世界的“基本法”。

用個(gè)類比：古時(shí)侯人們就懂得萬物生長(zhǎng)靠太陽、種田栽樹要澆水施肥，這些都是農(nóng)作物生長(zhǎng)的規(guī)律；而現(xiàn)在我們知道，這些綠色植物生命活動(dòng)的本質(zhì)是細(xì)胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化學(xué)過程。物理世界也是如此。我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的各種力、熱、電、光現(xiàn)象大多可以用建立于十七到十九世紀(jì)的經(jīng)典物理學(xué)解釋；但進(jìn)入二十世紀(jì)后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)世界是由原子組成的，如果想從分子、原子水平的上更本質(zhì)地理解自然現(xiàn)象，就必須引入一套與經(jīng)典物理很不一樣的新規(guī)律，這就是量子力學(xué)。引用當(dāng)代最知名的理論物理學(xué)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(chǔ)、最精確的科學(xué)理論，現(xiàn)代物理學(xué)的主體就是量子力學(xué)在各種不同物質(zhì)尺度上的具體延伸和應(yīng)用。然而，依人們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)和直覺來看，這套規(guī)律非常詭異，尤其是下面三點(diǎn)：

1. 量子疊加 (quantum superposition)：在量子世界中，物體可以同時(shí)處于不同狀態(tài)的疊加上。從另一個(gè)角度說就是“波粒二象性”。
2. 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(jīng)典規(guī)律都無法解釋的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)攜帶著信息，使得發(fā)生糾纏的各個(gè)物體處于一種不可分割的整體狀態(tài)，不能分別描述。著名的“薛定諤貓態(tài)”就是思想實(shí)驗(yàn)中一只貓和一個(gè)放射性原子的糾纏態(tài)（貓也因此成為了量子物理學(xué)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(zhì)。
3. 量子測(cè)量 (quantum measurement)：量子世界中不存在安靜的暗中觀察者，測(cè)量不是被動(dòng)地讀取信息，而會(huì)根本地改變被測(cè)物體的狀態(tài)。它最簡(jiǎn)單的表現(xiàn)就是“海森堡不確定關(guān)系”。量子測(cè)量的這種必須干擾被測(cè)物體的詭異屬性使得人們從量子系統(tǒng)中獲取信息變得極其困難。實(shí)際中，我們制造量子計(jì)算機(jī)遇到的大部分難題最終都能歸結(jié)到量子測(cè)量。

量子在不少人的印象中可能非常前沿甚至有點(diǎn)玄妙；但熟悉現(xiàn)代物理的童鞋都知道，量子力學(xué)正式建立距今已有九十多年，是一套相當(dāng)成熟的科學(xué)理論。那么今天的科學(xué)家又在研究什么？按照理論造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)不就完了？

不是這樣的。科學(xué)家對(duì)任何一種自然現(xiàn)象的研究必須經(jīng)過“發(fā)現(xiàn)－理解－控制”三個(gè)階段之后才有可能將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。以我們比較熟悉電磁學(xué)為例：人們?cè)诠糯?b>發(fā)現(xiàn)了雷電、磁石，在近代又發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)、電磁波......；經(jīng)過庫倫、安培、法拉第、麥克斯韋等幾代科學(xué)家的努力，人們逐漸理解了各種電磁現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，并最終形成了統(tǒng)一電、磁、光的經(jīng)典電磁理論；與此同時(shí)，科學(xué)家們發(fā)明了萊頓瓶、伏打電堆、螺線管、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、天線等最基本的物理裝置來控制電磁場(chǎng)，使得人們最終可以利用這種自然力進(jìn)行工程實(shí)踐，才有了后來的電氣革命和信息革命。

那我們對(duì)量子的研究走到哪一步了？量子的概念主要起源于19世紀(jì)末、20世紀(jì)初的一系列原子物理發(fā)現(xiàn)；量子力學(xué)在1925年后建立并迅速成熟，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(duì)這些基本原理的理解至今還很欠缺；不過真正要命的是，盡管量子力學(xué)可以用來解釋和預(yù)測(cè)海量的自然現(xiàn)象，“如何控制量子物體”的研究卻一度進(jìn)展地相當(dāng)緩慢——在1990年代之前，科學(xué)家都幾乎沒有控制單量子態(tài)的能力。由此導(dǎo)致的結(jié)果是，人類對(duì)量子力學(xué)的應(yīng)用至今仍非常初級(jí)。類比來說，晶體管、激光、核磁共振、原子鐘這些發(fā)明對(duì)量子原理的開發(fā)程度，大概也就和指南針對(duì)電磁原理的開發(fā)程度差不多。簡(jiǎn)言之，相比于對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，人類在實(shí)驗(yàn)上控制、測(cè)量量子系統(tǒng)的能力還很落后，這至今仍是量子技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸。

（二）各種量子技術(shù)都是啥？

A. 涉及量子原理的經(jīng)典機(jī)器

這一類發(fā)明大多在上世紀(jì)中期出現(xiàn)，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(xué)解釋的物質(zhì)性質(zhì)——半導(dǎo)體的能帶、原子的受激輻射、超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)、原子核的自旋磁矩等。

那為什么說它們是“經(jīng)典機(jī)器”？這是因?yàn)?b>這些儀器只是在微觀組成上涉及量子力學(xué)，人機(jī)交互的過程是完全經(jīng)典的。例如，晶體管的功能來源于半導(dǎo)體中電子和空穴的運(yùn)動(dòng)；但是人使用晶體管不是去控制每一個(gè)電子和空穴，而是控制各個(gè)接口電壓、電流的輸入輸出。這里的電壓、電流都是有大量微觀粒子參與的、完全經(jīng)典的物理量，觀測(cè)不到什么量子漲落 (quantum fluctuation)、不可同時(shí)測(cè)量之類的怪事。電路中的晶體管也不會(huì)處于開和關(guān)的量子疊加，晶體管之間也不會(huì)發(fā)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(xiàn)象，人使用晶體管的過程、用晶體管設(shè)計(jì)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(fā)明稱為量子技術(shù)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(dǎo)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(shù)咯？因此，活在21世紀(jì)，我們需要明白：盡管微觀組成不同，激光器和縫紉機(jī)一樣屬于經(jīng)典機(jī)器，真正的“量子機(jī)器”是我們需要依據(jù)量子力學(xué)原理來控制、使用的機(jī)器，比如——

B. 量子通信 (quantum communication)

激光、晶體管不算量子機(jī)器的本質(zhì)上是因?yàn)?b>人們?cè)谶@些儀器中控制的只是大量微觀粒子的集體運(yùn)動(dòng)，而不能對(duì)單個(gè)原子、電子或光子的量子態(tài)進(jìn)行單獨(dú)操控。人類在單量子態(tài)水平上的第一種工程實(shí)踐直到上世紀(jì)末才出現(xiàn)，那就是量子通信。

量子通信直白地說就是“量子電報(bào)”。傳統(tǒng)電報(bào)機(jī)收發(fā)的是經(jīng)典電磁波，信息加載在電磁波的幅度、頻率或者相位上；“量子電報(bào)機(jī)”收發(fā)的是單個(gè)光學(xué)頻率的光子，信息加載在光子的不同量子態(tài)上。量子通信的物理基礎(chǔ)就是單光子的產(chǎn)生、操縱、傳輸和測(cè)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(shí)驗(yàn)的原理性驗(yàn)證，隨后在科學(xué)家們的努力下向著距離更長(zhǎng)、裝置更簡(jiǎn)單實(shí)用的方向發(fā)展。此中貢獻(xiàn)尤其大的是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的 Nicolas Gisin，他領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室除了一系列使用糾纏光子實(shí)現(xiàn)量子通信的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)外，最重要的是在1997年發(fā)明了不用糾纏光子的“plug & play”方案，成為實(shí)用量子通信的經(jīng)典方法。1995年， Gisin 實(shí)驗(yàn)室借用瑞士電信公司跨日內(nèi)瓦湖的湖底光纖，在日內(nèi)瓦和尼永 (Nyon) 兩個(gè)相距23公里的城市之間實(shí)現(xiàn)了第一次長(zhǎng)距離戶外量子通信。Gisin 與同事創(chuàng)辦的 ID Quantique 公司于2003年實(shí)現(xiàn)了量子通信的商業(yè)化。2007的瑞士大選中，日內(nèi)瓦大學(xué)與 ID Quantique 為日內(nèi)瓦州的電子選票傳輸提供了量子加密，這是量子通信技術(shù)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(yè)化的量子加密服務(wù)。

那么，這種收發(fā)單個(gè)光子的“量子電報(bào)機(jī)”究竟強(qiáng)大在哪？人群中對(duì)此流傳著幾個(gè)誤解：

誤解一（低級(jí)錯(cuò)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(shí)還都需要一個(gè)經(jīng)典信道的輔助，而經(jīng)典通信不可以超光速。

誤解二（中級(jí)錯(cuò)誤）：量子通信比經(jīng)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(shí)際應(yīng)用通常也被稱為量子密碼學(xué) (quantum cryptography) 或量子密鑰分發(fā) (quantum key distribution)。經(jīng)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(jí)錯(cuò)誤）：量子通信是絕對(duì)保密的

并不是。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，這種的安全保障并非來自加密的數(shù)學(xué)復(fù)雜度，而是測(cè)量必須干擾量子態(tài)、未知量子態(tài)不可復(fù)制等基本物理原理——這是量子加密與經(jīng)典加密最本質(zhì)的區(qū)別。

然而，量子通信的安全性只是理想條件下的數(shù)學(xué)結(jié)論——假設(shè)光子傳輸過程中沒有損耗、假設(shè)單光子態(tài)的制備、測(cè)量是完美的等等，很顯然這些條件在實(shí)際中都不成立。在2008年到2010年間，就至少有三個(gè)利用由實(shí)際中非理想條件導(dǎo)致的安全漏洞攻擊 ID Quantique 或 MagiQ 商用量子通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)取得了成功，從事實(shí)上證明了第一代量子加密技術(shù)絕非不可破解。現(xiàn)實(shí)條件下量子通信的安全問題和優(yōu)化方式目前仍是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

更重要的是，量子通信的安全范圍僅限于光子的傳輸過程中；而一個(gè)完整的通信過程至少包括編碼、發(fā)送、傳輸、接收、解碼幾個(gè)步驟，量子力學(xué)定律可以保證密鑰在理想的量子信道中不被竊聽，但對(duì)收發(fā)兩端的經(jīng)典安全問題無能為力。這一點(diǎn)其實(shí)讓量子通信的實(shí)用價(jià)值大打折扣——在現(xiàn)代保密系統(tǒng)中，安全隱患不僅出現(xiàn)在傳輸過程中，還經(jīng)常出現(xiàn)在收發(fā)兩端。所以，盡管物理學(xué)家一直在大力宣傳量子通信，不少信息安全專家卻對(duì)此持有懷疑——不可否認(rèn)，量子通信是非常有趣的物理實(shí)驗(yàn)，但它在現(xiàn)實(shí)中真正對(duì)信息安全有多大提高還存在疑問。介于這些實(shí)際問題，盡管量子通信的基礎(chǔ)研究在1990年代就已達(dá)到高峰（瑞士之外比較有代表性的還有奧地利維也納大學(xué)、美國 Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)、IBM 實(shí)驗(yàn)室、英國電信實(shí)驗(yàn)室等），進(jìn)入新世紀(jì)之后熱度卻逐漸下降，除了小范圍之外沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用和政府支持，直到2017年中國的量子保密通信“京滬干線”開通。

如此說來，量子通信的意義到底在哪？我認(rèn)為客觀地說，量子通信的基礎(chǔ)研究意義大于實(shí)用價(jià)值。且不談量子加密在實(shí)際中的安全問題，保密通信本身在科技發(fā)展的大局中也只是一件小事。但是，量子加密技術(shù)的基礎(chǔ)是1980年代以來一輪量子物理的重大進(jìn)展——利用光學(xué)光子研究量子糾纏。這輪研究的主要?jiǎng)訖C(jī)是對(duì)量子力學(xué)基本問題的探索——在此之前，人們對(duì)量子力學(xué)詭異屬性的理解主要限于量子疊加，對(duì)更加詭異的量子糾纏、特別是糾纏和測(cè)量結(jié)合后出現(xiàn)的一些嚴(yán)重挑戰(zhàn)經(jīng)典世界觀的深刻問題主要限于哲學(xué)討論，而缺乏科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這其中最著名的就是量子非定域性 (quantum non-locality) 檢驗(yàn)，它將直接判明經(jīng)典世界觀中的局域因果性 (local casuality) 和客觀實(shí)在性 (objective reality) 是否在真實(shí)世界中同時(shí)存在。對(duì)此的實(shí)驗(yàn)探索起源于1970年代的美國，但最關(guān)鍵的工作主要出現(xiàn)在歐洲——除 Nicolas Gisin 外，最具代表性的還有法國光學(xué)研究所 (Institut d''optique) 的 Alain Aspect 和奧地利維也納大學(xué)的 Anton Zeilinger 等。這一領(lǐng)域的科學(xué)家們?cè)诙觊g通過一系列基本而巧妙的光子實(shí)驗(yàn)極大地深化了人類對(duì)于量子糾纏的理解，讓量子力學(xué)通過了最嚴(yán)苛的檢驗(yàn)；同時(shí)積累了大量制備、操縱、測(cè)量單光子的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并開始思考量子糾纏的實(shí)際應(yīng)用，直接導(dǎo)致了量子通信技術(shù)的誕生。這在我的理解中是當(dāng)代量子科技的第一個(gè)里程碑。即使當(dāng)前實(shí)用價(jià)值有限，理解和控制量子糾纏都是構(gòu)造更復(fù)雜量子機(jī)器的必要前提，比如——

C. 量子計(jì)算 (quantum computing)

量子計(jì)算機(jī)不是“下一代計(jì)算機(jī)”，不是電子計(jì)算機(jī)的升級(jí)版，而是科學(xué)家構(gòu)想中的一種高度復(fù)雜、高度可控的人造量子系統(tǒng)，兼具信息處理的功能。量子計(jì)算機(jī)是人類當(dāng)前設(shè)想中最復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度最大的量子機(jī)器，一旦建成對(duì)科學(xué)和社會(huì)的影響也最深遠(yuǎn)。

量子計(jì)算是本文之后全部?jī)?nèi)容的主角。

此外，量子技術(shù)還包括量子仿真（quantum simulation）、量子傳感 (quantum sensing) 等。

（三）量子計(jì)算機(jī)有啥用？

先澄清一種流言：量子計(jì)算機(jī)一旦做成，直接秒殺經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

正確的說法是：理論構(gòu)想中的大型、通用、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)會(huì)在幾類特定問題上有超出經(jīng)典機(jī)器的計(jì)算能力。

量子計(jì)算機(jī)和“摩爾定律”到?jīng)]到頭關(guān)系不大。

量子計(jì)算機(jī)并不是一種更快的計(jì)算機(jī)。它在邏輯、輸出方式等方面與經(jīng)典計(jì)算機(jī)根本不同，其中最本質(zhì)的就是量子糾纏的存在。在量子信息學(xué)的觀點(diǎn)中，量子糾纏是與物質(zhì)、能量、信息并列的一種自然資源，利用好這種資源能使量子計(jì)算機(jī)發(fā)揮出巨大威力。但是，如何用它設(shè)計(jì)更快的算法，在理論上就是很大的挑戰(zhàn)。目前，對(duì)絕大多數(shù)計(jì)算問題，理論家們都還沒有找到超過經(jīng)典算法的量子算法；但在一些特殊問題上確實(shí)有了新的發(fā)現(xiàn)。哪些問題呢？最早發(fā)現(xiàn)的主要有兩類：一類可以歸結(jié)為質(zhì)因數(shù)分解（Shor 算法），比已知最快經(jīng)典算法有指數(shù)加速（準(zhǔn)確說是超多項(xiàng)式加速）；另一類可以歸結(jié)為無序搜索（Grover 算法），比經(jīng)典算法有多項(xiàng)式加速。

Shor 算法和 Grover 算法分別于1994年和1996年被提出，可以說是它們的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)界對(duì)量子計(jì)算的真正重視——盡管量子計(jì)算的初步概念在80年代初就已出現(xiàn)，但十幾年來都只是很小圈子內(nèi)的理論游戲，被認(rèn)為既無法實(shí)現(xiàn)也沒有用處；Shor 算法和 Grover 算法終于為量子計(jì)算機(jī)找到了可能的實(shí)際應(yīng)用。其中 Shor 算法的影響尤其大——現(xiàn)代密碼學(xué)中，幾類常用的公鑰系統(tǒng)包括 RSA (Rivest–Shamir–Adleman) 和 ECC (elliptic-curve cryptography) 等的基本加密原理就是大數(shù)分解的計(jì)算復(fù)雜度。因此量子計(jì)算機(jī)一旦出現(xiàn)，將給現(xiàn)有的信息安全帶來巨大威脅。

不過這種威脅并不緊急——想運(yùn)行 Shor 算法破解密碼需要有至少上百萬個(gè)量子比特的通用、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，這其中的任何一個(gè)詞在短時(shí)間內(nèi)都無法實(shí)現(xiàn)。并且，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)無法破解的“后量子時(shí)代加密技術(shù)”的研究也已經(jīng)有了不少成果。所以，單是破密碼這類“黑客活動(dòng)”并不會(huì)賦予量子計(jì)算機(jī)科技革命式的重要意義。在 Shor 和 Grove 算法提出后的十來年里，再?zèng)]有第三類重要的量子算法被發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算理論的發(fā)展一度走向平緩。

但新的突破在2008年出現(xiàn)—— Aram Harrow、Avinatan Hassidim 和 Seth Lloyd 提出了 HHL 算法：在一系列前提假設(shè)下，量子計(jì)算機(jī)可以在對(duì)數(shù)復(fù)雜度內(nèi)求解一些特殊的線性方程組。這讓這個(gè)領(lǐng)域又一次火了起來——與 Shor 算法只有“黑客應(yīng)用”不同，線性方程組在現(xiàn)代計(jì)算中可以說是無處不在。特別地，它是很多擬合、推斷、優(yōu)化問題的基礎(chǔ)。HHL 的各種衍生算法與這些年人工智能的熱潮結(jié)合，讓這類研究有了個(gè)不能更時(shí)髦的名字——量子機(jī)器學(xué)習(xí)，這也讓量子計(jì)算機(jī)第一次擁有了商業(yè)價(jià)值。更好的是，一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法只需要有50到100個(gè)量子比特的小型量子計(jì)算機(jī)就能展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，這在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)發(fā)展的趨勢(shì)下并非遙不可及。在潛在利潤(rùn)的驅(qū)動(dòng)下，從2011年開始，特別是2014年之后，各大商業(yè)公司開始紛紛關(guān)注量子計(jì)算。這也是量子計(jì)算開始在各種媒體上頻繁出鏡的時(shí)候。

該說但是的時(shí)候又到了。HHL 算法與之前的 Shor 算法和 Grover 算法有根本的不同——嚴(yán)格地說 HHL 不是一個(gè)具體算法，而是一個(gè)在特殊假設(shè)和限制條件下的算法模版，或者說是一個(gè)完整算法的一部分。它沒有回答數(shù)據(jù)應(yīng)該怎樣讀入讀出，沒有回答如何才能讓量子計(jì)算機(jī)按照給定的參數(shù)演化，并且有非常苛刻的適用范圍。任何一個(gè)細(xì)節(jié)條件不滿足，量子加速都會(huì)消失。以 HHL 為模版設(shè)計(jì)一個(gè)具體算法就需要填補(bǔ)上這些細(xì)節(jié)，但極少有實(shí)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(shí)候都有更好的經(jīng)典算法（各種量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法中聲稱的加速絕大多數(shù)都是在用特殊條件下的量子算法和通用的經(jīng)典算法做比較）。當(dāng)前量子機(jī)器學(xué)習(xí)的研究多是在抽象地發(fā)掘量子算法在某些計(jì)算步驟中的優(yōu)勢(shì)，而少有人下大功夫考慮具體問題和完整的計(jì)算過程。簡(jiǎn)言之，理論家們找到了算法模版，但還沒有明確落實(shí)可以使用這套模版的具體問題，也沒有可以運(yùn)行這套算法的機(jī)器。因此，現(xiàn)在我們的結(jié)論只能是：量子算法有希望加速機(jī)器學(xué)習(xí)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(jì)算機(jī)短時(shí)間內(nèi)在傳統(tǒng)的計(jì)算問題上還沒有清晰明確的應(yīng)用。但其實(shí)從物理學(xué)家的視角看，量子計(jì)算機(jī)最有價(jià)值的潛在應(yīng)用并不是傳統(tǒng)意義上的計(jì)算，而是量子仿真 (quantum simulation)——自然界中原子、分子的微觀過程遵守的都是量子力學(xué)；可由于量子糾纏的存在，再強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也不能對(duì)規(guī)模稍大的量子系統(tǒng)（比如幾十個(gè)原子）進(jìn)行嚴(yán)格求解，而只能借助近似（密度泛函、Monte Carlo 等），這就是現(xiàn)代計(jì)算物理、計(jì)算化學(xué)的核心。然而，量子計(jì)算機(jī)就是一臺(tái)自帶量子糾纏的機(jī)器，最適合在編程之后模擬待研究的復(fù)雜量子系統(tǒng)，也就是用量子機(jī)器求解量子問題。最原始的量子仿真在近二十年里已經(jīng)是冷原子物理的重要方向，但它真正發(fā)揮出威力還是要等量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。那時(shí)，凡是涉及大量微觀粒子的研究，例如凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、分子生物學(xué)都將發(fā)生很深刻的變革；相應(yīng)的應(yīng)用學(xué)科，例如材料合成、藥物研發(fā)等，也都會(huì)有很本質(zhì)的改變。

說了這么多，量子計(jì)算機(jī)到底有啥用？量子計(jì)算起源于好奇心驅(qū)動(dòng)的思維游戲，近二十年有了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，但它在短期內(nèi)還將是一種基礎(chǔ)研究，沒有立即可操作的實(shí)際應(yīng)用。可從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，它將給給現(xiàn)有的計(jì)算理論帶來深刻變革，將極大加深人類對(duì)物質(zhì)與信息的理解；特別地，它將是一種前所未有的計(jì)算微觀世界的強(qiáng)大工具。類比來說，量子計(jì)算機(jī)像是計(jì)算機(jī)中的火箭?；鸺購?qiáng)大，也不能取代火車、汽車、自行車，因?yàn)樗鼈兊母居猛静煌Ｍ恚?b>量子計(jì)算機(jī)價(jià)值的并不是取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，甚至主要不在于加速傳統(tǒng)計(jì)算，而是在于一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能解決的特殊問題，比如復(fù)雜微觀系統(tǒng)的模擬。量子計(jì)算并不是“后摩爾時(shí)代”的計(jì)算，它與傳統(tǒng)的微電子是兩個(gè)目標(biāo)不同、平行發(fā)展的領(lǐng)域，不可以相互替代。未來量子計(jì)算機(jī)的第一波應(yīng)用也將是對(duì)科學(xué)的意義大于對(duì)商業(yè)，對(duì)科學(xué)家的意義大于對(duì)普通人。

所以，現(xiàn)在的程序員們大可繼續(xù)安居樂業(yè)。研究奇怪的新機(jī)器就交給一小撮量子發(fā)燒友就好啦～

（四）量子計(jì)算機(jī)怎么做？

量子計(jì)算機(jī)是用“原子”和光子做的。更確切說，是直接用“原子”和光子做的。這里的“原子”既可以是天然原子，也可以是固體系統(tǒng)中的“人造原子”；光子有的在光學(xué)頻率，有的在微波頻率。

量子計(jì)算機(jī)運(yùn)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(shí)驗(yàn)之一。

量子力學(xué)主要是微觀粒子的科學(xué)。但是在它創(chuàng)立之初，科學(xué)家們沒有能力在實(shí)驗(yàn)上控制單個(gè)微觀粒子，以至于玻爾、海森堡、薛定諤、愛因斯坦這一代前輩們只能在腦子里做單個(gè)粒子的思想實(shí)驗(yàn)，例如關(guān)著一個(gè)光子的盒子、觀測(cè)單個(gè)電子的顯微鏡之類。真的在實(shí)驗(yàn)中做到這些一度被認(rèn)為是根本不可能的。

1971年在巴黎高等師范學(xué)院，一位叫 Serge Haroche 的博士生用光學(xué)泵浦 (optical pumping) 方向的課題參加答辯。一位評(píng)委問他：“你的實(shí)驗(yàn)中有大量的原子和光子，為什么要用量子理論去描述呢？” Haroche 回答：“老師，有一天我會(huì)用一個(gè)光子做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?！?/p>

這是 Serge Haroche 在他的 Nobel Lecture 上講的。2012年，他與 David Wineland（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 NIST）因?yàn)槭紫?b>實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子和光子之間的非破壞測(cè)量與控制獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Haroche 的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)叫腔量子電動(dòng)力學(xué) (cavity quantum electrodynamics)——讓處于極高激發(fā)態(tài)的原子一個(gè)個(gè)地飛過微波腔，與腔中囚禁的一個(gè)或幾個(gè)光子相互作用，用原子控制和測(cè)量光子的量子態(tài)；Wineland 的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)叫離子阱 (ion trap)——用激光冷卻和射頻電場(chǎng)囚禁一個(gè)或幾個(gè)帶電離子，再用電磁場(chǎng)和激光對(duì)離子進(jìn)行量子操縱和測(cè)量。

腔量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)概念圖（巴黎高等師范學(xué)院 Serge Haroche 實(shí)驗(yàn)室）

Paul 離子阱實(shí)驗(yàn)概念圖（奧地利因斯布魯克大學(xué) Rainer Blatt 實(shí)驗(yàn)室）

腔量子電動(dòng)力學(xué)和離子阱實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，量子計(jì)算的概念還很不受重視。它們本來也只是純粹的基礎(chǔ)物理研究。但是到了90年代后期，大家開始意識(shí)到單量子態(tài)的操縱和測(cè)量就是量子計(jì)算的基礎(chǔ)。隨后，物理學(xué)家又在幾類不同的物質(zhì)系統(tǒng)（超導(dǎo)量子電路、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、固體缺陷等等）中實(shí)現(xiàn)了非?？煽繂瘟孔討B(tài)控制，宣告了量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的開始——在我的理解中這是當(dāng)代量子科技的第二個(gè)里程碑。如果把未來的“量子工程”比作建高樓，那么這一步就好比是學(xué)會(huì)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(gòu)建復(fù)雜的人造量子系統(tǒng)。

每一種高度可控的單量子系統(tǒng)理論上都有可以作為量子計(jì)算機(jī)的基本組成。然而在實(shí)際中，不同的物理方案的差別很大。目前最領(lǐng)先的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只有兩種——一個(gè)是離子阱，另一個(gè)是超導(dǎo)量子電路。

用電磁場(chǎng)囚禁帶電離子的研究從1950年代就已經(jīng)開始。Paul 阱和 Penning 阱的發(fā)明人—— Wolfgang Paul（德國波恩大學(xué)）和 Hans Dehmelt（美國西雅圖華盛頓大學(xué)）在1989年分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1970年代，原子的激光冷卻技術(shù)出現(xiàn)并迅速應(yīng)用于離子阱；1989年，David Wineland 實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了汞離子的基態(tài)冷卻，離子阱走入量子時(shí)代。早期，離子阱主要的發(fā)展動(dòng)力是精密測(cè)量，例如測(cè)量電子反常磁矩、提供超高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)（原子鐘）等。直到1995年，科學(xué)家們才意識(shí)到這是一個(gè)非常理想的量子計(jì)算平臺(tái)。21世紀(jì)的頭十年里，離子阱幾乎在各類量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中保持絕對(duì)領(lǐng)先，它最明顯的優(yōu)勢(shì)有：

1. 干凈：?jiǎn)蝹€(gè)或幾個(gè)離子是干凈的無雜質(zhì)系統(tǒng)，量子相干時(shí)間很長(zhǎng)。
2. 精密：離子的量子邏輯門和測(cè)量的保真度 (fidelity) 很高。
3. 容易多體糾纏：任意兩個(gè)離子之間都可以相互作用（產(chǎn)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(tǒng)。

而然它的劣勢(shì)也是明顯的：

1. 慢：天然原子與光子的相互作強(qiáng)度有限，導(dǎo)致離子的控制和測(cè)量都很慢（大概比超導(dǎo)量子電路慢一千倍）。
2. 實(shí)驗(yàn)手段復(fù)雜：冷原子類實(shí)驗(yàn)都需要非常精巧復(fù)雜的激光、真空和電磁場(chǎng)裝置。
3. 集成困難：離子依靠電磁場(chǎng)“懸浮”在阱中。同一個(gè)阱中最多也就囚禁十幾到幾十個(gè)完全可控的離子，大規(guī)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(shí)候，一種很不一樣的系統(tǒng)開始逆襲。

量子理論自創(chuàng)立之初就一直有個(gè)重大疑問：這套理論究竟是只適用于微觀粒子，還是也適用于宏觀物體？這與量子糾纏一樣都是歷史遺留問題，長(zhǎng)期只有理論爭(zhēng)辯而沒有實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。1982年，一支伯克利加州大學(xué)的三人小組——英國物理教授 John Clarke、法國博士后 Michel Devoret 和美國博士生 John Martinis，開始用一種叫 Josephson 結(jié)的超導(dǎo)體－絕緣體－超導(dǎo)體三明治結(jié)構(gòu)試圖觀測(cè)宏觀量子現(xiàn)象；幾年之后，他們通過宏觀量子隧穿和微波譜的測(cè)量得到了明確結(jié)論——在極低溫下，Josephson 結(jié)的宏觀相位遵守量子力學(xué)規(guī)律。特別的是，這里的宏觀量子現(xiàn)象不是指“大量量子力學(xué)粒子組成的宏觀物體（例如超導(dǎo)體）”，而是一個(gè)必須用量子力學(xué)描述的宏觀自由度（Josephson 結(jié)相位）。盡管這個(gè)人造器件中有幾百億甚至更多的原子，它們的一個(gè)集體運(yùn)動(dòng)自由度卻是量子的，我們可以像控制單個(gè)原子一樣控制這個(gè)超導(dǎo)器件。因此，這類包含 Josephson 結(jié)的宏觀量子器件也被稱為超導(dǎo)人造原子 (superconducting artificial atom)，它們組成的電路就是超導(dǎo)量子電路 (superconducting quantum circuits)。

2000年前后，世界各地的多個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)（ 法國 Saclay 原子能研究所、日本 NEC 基礎(chǔ)研究室、荷蘭 Delft 理工學(xué)院、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 NIST 等）先后實(shí)現(xiàn)了幾類不同超導(dǎo)人造原子的量子疊加。2004年，耶魯大學(xué) Robert Schoelkopf 實(shí)驗(yàn)室首先觀察到單個(gè)微波光子與超導(dǎo)人造原子的相互作用，這類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被稱為電路量子電動(dòng)力學(xué) (circuit quantum electrodynamics)。2007年和2009年，耶魯大學(xué) Robert Schoelkopf 實(shí)驗(yàn)室和 Michel Devoret 實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了兩種目前最重要的超導(dǎo)人造原子——transmon 和 fluxonium。接二連三的重要進(jìn)展讓超導(dǎo)量子電路在十年內(nèi)迅速成為最有希望的量子計(jì)算系統(tǒng)之一。

一些重要的超導(dǎo)人造原子：
左上：超導(dǎo)電荷量子比特（日本 NEC 基礎(chǔ)研究室蔡兆申實(shí)驗(yàn)室）
左下：超導(dǎo)磁通量子比特（荷蘭 Delft 理工學(xué)院 Hans Mooij 實(shí)驗(yàn)室）
中上：超導(dǎo)相位量子比特（圣芭芭拉加州大學(xué) John Martinis 實(shí)驗(yàn)室）
中下：quantronium 人造原子（法國 Saclay 原子能研究所 Michel Devoret 實(shí)驗(yàn)室）
右上：transmon 人造原子（耶魯大學(xué) Robert Schoelkopf 實(shí)驗(yàn)室）
右下：fluxonium 人造原子（耶魯大學(xué) Michel Devoret 實(shí)驗(yàn)室）

電路量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)概念圖（耶魯大學(xué) Robert Schoelkopf 實(shí)驗(yàn)室）

超導(dǎo)量子電路最大優(yōu)勢(shì)在于它是一套可以在宏觀尺度上對(duì)光子和“原子”進(jìn)行相互控制和測(cè)量的“人造工具箱”。它的各種參數(shù)和性質(zhì)不是由大自然設(shè)定，而是可以通過設(shè)計(jì)在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，讓科學(xué)家可以通過工程方法解決各種實(shí)驗(yàn)問題。這使得它相比天然原子

1. 快：通過器件設(shè)計(jì)可以增大“原子”－光子相互作用強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)納秒速度的量子邏輯門。
2. 實(shí)驗(yàn)手段簡(jiǎn)化：超導(dǎo)量子電路需要在 20 mK（絕對(duì)零度之上0.02攝氏度）以下的極低溫工作，這用目前已經(jīng)商品化的稀釋制冷機(jī) (dilution refrigerator) 很容易實(shí)現(xiàn)，無需各種復(fù)雜的激光冷卻和囚禁裝置。
3. 作為固體器件，很容易通過現(xiàn)代微納加工進(jìn)行大規(guī)模集成。

但是超導(dǎo)量子電路也有不少缺點(diǎn)。人造原子終究沒有天然原子干凈完美，超導(dǎo)量子電路在量子相干時(shí)間、邏輯門準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定性等方面一直都不如離子阱。但科學(xué)家們一直在不斷通過新的器件設(shè)計(jì)來試圖解決這些問題——超導(dǎo)人造原子的相干性在十幾年內(nèi)已經(jīng)提高了十萬倍（從最初的幾納秒到現(xiàn)在的上百微秒）。這幾年來，超導(dǎo)量子電路已經(jīng)成為最受關(guān)注的量子計(jì)算技術(shù)，在學(xué)界和業(yè)界都很受青睞。

除此之外，比較熱門的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還有固體缺陷（金剛石色心、碳化硅色心等）、半導(dǎo)體量子點(diǎn)等。但是，離子阱和超導(dǎo)量子電路目前處于明顯的領(lǐng)先狀態(tài)，我認(rèn)為有兩個(gè)根本原因：

1. 基本組成簡(jiǎn)單。人們對(duì)單個(gè)原子的結(jié)構(gòu)和低溫超導(dǎo)體的性質(zhì)已經(jīng)相當(dāng)清楚。
2. 控制方法成熟。激光和微波技術(shù)都已經(jīng)經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，激光冷卻和稀釋制冷目前也都相當(dāng)成熟。

這使得物理學(xué)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(gòu)造更復(fù)雜的量子系統(tǒng)。而很多關(guān)于固體缺陷和量子點(diǎn)的研究重點(diǎn)還是制備、控制方法和基本物理性質(zhì)，它們是非常有價(jià)值的物理和材料研究，但是在量子計(jì)算的水平上暫時(shí)與離子阱和超導(dǎo)量子電路不處在同一個(gè)發(fā)展階段。此外，中性原子、線性光學(xué)等系統(tǒng)在基本的原理驗(yàn)證上有一定意義，但一般認(rèn)為在實(shí)用方面的發(fā)展空間比較有限。

最后需要單獨(dú)一提的是“拓?fù)淞孔佑?jì)算 (topological quantum computing)”，它基于一種理論預(yù)言中的非阿貝爾任意子 (non-Abelian anyon)——Majorana 費(fèi)米子。過去五年間，已有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在固體系統(tǒng)中觀察到了 Majorana 費(fèi)米子存在的跡象，但至今仍未確定，也無法對(duì)其進(jìn)行任何量子操作。準(zhǔn)確地說，當(dāng)前的“拓?fù)淞孔佑?jì)算”是一種以量子計(jì)算為潛在應(yīng)用的凝聚態(tài)物理研究，而非真正的量子計(jì)算研究，處于基本單元尚未發(fā)現(xiàn)的最初構(gòu)想階段。這個(gè)方向近幾年熱度很高，但它還屬于基礎(chǔ)的凝聚套物理，暫時(shí)不應(yīng)該和其他量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并列起來，相互比較沒有太大意義。

不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之間孰優(yōu)孰劣一直是大家津津樂道的話題。然而絕大多數(shù)宣傳（包括學(xué)術(shù)論文和報(bào)告）的基本思路就是以己之長(zhǎng)比他人之短，為自己的方案吸引關(guān)注、申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，撕來撕去沒有什么客觀結(jié)論。從我自己的角度認(rèn)為，

1. 所有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都為量子計(jì)算的原理驗(yàn)證做出了貢獻(xiàn)
2. 離子阱和超導(dǎo)量子電路暫時(shí)領(lǐng)先
3. 超導(dǎo)量子電路更接近一種靈活實(shí)用的工程系統(tǒng)，未來的設(shè)計(jì)空間和發(fā)展?jié)摿Ω螅ó?dāng)然這屬于展望，我很有可能是錯(cuò)的～）
   

（五）當(dāng)前量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的各路高手都是誰？

離子阱和超導(dǎo)量子電路作為最領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，已經(jīng)開始出現(xiàn)“巨頭壟斷”的趨勢(shì)——在長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累下，個(gè)別超一流實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)和其他競(jìng)爭(zhēng)者拉開了一個(gè)身位。這種優(yōu)勢(shì)并不只是技術(shù)領(lǐng)先，更重要的是所挑戰(zhàn)問題的難度、復(fù)雜性和前瞻性。這些超一流實(shí)驗(yàn)室全都在美國和歐洲。

目前，全世界大概有三十幾個(gè)離子阱實(shí)驗(yàn)室。積累最深、影響力最大的除諾獎(jiǎng)得主 David Wineland 外，還有美國馬里蘭大學(xué)的 Christopher Monroe 團(tuán)隊(duì)和奧地利因斯布魯克大學(xué)的 Rainer Blatt 團(tuán)隊(duì)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室在實(shí)現(xiàn)多體量子糾纏、嘗試量子糾錯(cuò)以及離子阱技術(shù)實(shí)用化等方面都走在全世界的最前列。

超導(dǎo)量子電路實(shí)驗(yàn)室全世界也已經(jīng)有了幾十個(gè)。其中處于最核心位置的有兩個(gè)，分別在美國東西海岸——東海岸的耶魯大學(xué)和西海岸的圣芭芭拉加州大學(xué)/Google。它們各自的掌門人就是當(dāng)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 在兩年博士后之后回到法國，在法國原子能研究所 (CEA Saclay) 建立了自己的實(shí)驗(yàn)室。與法國物理學(xué)家 Daniel Esteve 和 Christan Urbina 一起，他們的 Quantronics 實(shí)驗(yàn)室在九十年成為世界著名的介觀超導(dǎo)結(jié)構(gòu)單電子輸運(yùn)研究組，致力于探索宏觀電路的量子效應(yīng)，最終在1998年在2002年分別發(fā)明了超導(dǎo)電荷量子比特 (Cooper pair box) 和 quantronium 人造原子。2002年，Devoret 與因研究分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)聞名的理論物理學(xué)家 Steven Girvin 一起加入耶魯大學(xué)，與當(dāng)時(shí)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(tuán)隊(duì)2004年發(fā)明了電路量子電動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，成為當(dāng)前超導(dǎo)量子電路最核心的控制和測(cè)量方法；2007年發(fā)明 transmon 人造原子；2009年發(fā)明 fluxonium 人造原子；2010年發(fā)明量子極限放大器，實(shí)現(xiàn) single-shot 量子非破壞測(cè)量；2010年首創(chuàng)三維電路量子電動(dòng)力學(xué)；2013年提出 cat-code 量子糾錯(cuò)碼；2016年實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電路的遠(yuǎn)程量子糾纏 (remote entanglement)…… 可以說，耶魯團(tuán)隊(duì)在過去15年間貢獻(xiàn)了當(dāng)前超導(dǎo)量子計(jì)算主要的電路結(jié)構(gòu)與控制、測(cè)量方法，并且目前在邏輯量子比特、遠(yuǎn)程量子糾纏、量子極限測(cè)量等方面都在領(lǐng)跑世界。

1987年，John Martinis 博士畢業(yè)，在 Michel Devoret 實(shí)驗(yàn)室做過博士后之后，加入美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所 (NIST) ，成為低溫超導(dǎo)器件的專家，并在2002年發(fā)明超導(dǎo)相位量子比特。2004年，Maritnis 加入圣芭芭拉加州大學(xué) (UCSB)，此后十年與同門師弟、納米力學(xué)專家 Andrew Cleland 密切合作，實(shí)現(xiàn)了多種量子電路構(gòu)架，在材料、工藝等工程細(xì)節(jié)方面尤其精湛，特別注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)用性。2014年，Martinis 實(shí)驗(yàn)室全員被 Google 收購，開始著力于具有一定規(guī)模的實(shí)用量子芯片的研究，目前在平面量子電路的復(fù)雜度和技術(shù)質(zhì)量上保持領(lǐng)先。

除了兩大領(lǐng)頭羊外，全世界還有十來個(gè)原創(chuàng)能力較強(qiáng)的超導(dǎo)量子電路實(shí)驗(yàn)室。其中，美國伯克利加州大學(xué)、芝加哥大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、荷蘭 Delft 理工學(xué)院、法國原子能研究所、巴黎高等師范學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室都是由耶魯團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)的學(xué)生和博士后帶領(lǐng)。此外，美國 IBM Watson 研究中心和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室各有一支人數(shù)很多、工程執(zhí)行力很強(qiáng)的研究團(tuán)隊(duì)。日本理化研究所 (RIKEN)、瑞典 Chalmers 理工學(xué)院也有競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)室。

其它量子計(jì)算系統(tǒng)也都有各自的超一流實(shí)驗(yàn)室，例如（不完整名單）

金剛石、碳化硅色心：德國斯圖加特大學(xué) Jörg Wrachtrup、荷蘭 Delft 理工學(xué)院 Ronald Hanson、美國芝加哥大學(xué) David Awschalom、哈佛大學(xué) Mikhail Lukin……

半導(dǎo)體量子點(diǎn)：美國普林斯頓大學(xué) Jason Petta、哈佛大學(xué) Amir Yacoby、荷蘭 Delft 理工學(xué)院 Lieven Vandersypen……

“拓?fù)淞孔佑?jì)算”：荷蘭 Delft 理工學(xué)院／微軟 Leo Kouwenhoven、丹麥哥本哈根大學(xué)／微軟 Charles Marcus……

不過與離子阱和超導(dǎo)量子電路非常關(guān)注量子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制和測(cè)量不同，量子點(diǎn)與“拓?fù)淞孔佑?jì)算”當(dāng)前最關(guān)鍵的主要還是材料和工藝，更接近基礎(chǔ)的凝聚態(tài)物理；固體色心除了量子信息，還在納米光子學(xué)、材料和生物成像等方面有不少應(yīng)用。所以這些系統(tǒng)還沒有那么“巨頭壟斷”，一流研究組比較多，新實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展機(jī)會(huì)也更多。

（六）量子計(jì)算到底難在哪？進(jìn)展到哪一步了？

這是2013年 Michel Devoret 和 Robert Schoelkopf 發(fā)表在 Science 上的“量子計(jì)算臺(tái)階圖”。下一層實(shí)驗(yàn)是上一層實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)；但這并不是一個(gè)直線升級(jí)過程——為了上一個(gè)新臺(tái)階，在它之下的所有臺(tái)階都必須不斷優(yōu)化。所以，我們站的越高工作量就越大，量子計(jì)算機(jī)越往后做越難。

圖上的前三層大致對(duì)應(yīng)量子力學(xué)的三大詭異屬性——疊加、糾纏、測(cè)量。到目前，主要的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（不計(jì)“拓?fù)淞孔佑?jì)算”）都已經(jīng)站上了前兩層。但不是每種系統(tǒng)都站上了第三層。

迄今為止，沒有一種系統(tǒng)完成了第四層（量子糾錯(cuò)）。

開頭說過，人們研究量子計(jì)算遇到的麻煩大多都能歸結(jié)到各種形式的量子測(cè)量。

對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，數(shù)據(jù)輸出是很直接的——按高低電平區(qū)分二進(jìn)制數(shù)就好。然而，量子計(jì)算的過程一般只涉及幾個(gè)基本能量量子，比如一次電路量子電動(dòng)力學(xué)色散讀出 (dispersive readout) 一般只用5到10個(gè)微波光子，如此微弱的信號(hào)如何測(cè)量？要知道，世界上最好的半導(dǎo)體微波放大器（液氦溫度下工作的高電子遷移率晶體管 HEMT）放大一個(gè)光子大概要添20個(gè)光子的噪聲。另外，單量子水平的測(cè)量一般都要改變粒子的量子態(tài)，甚至直接毀滅粒子（比如光電倍增管的原理就是通過光電效應(yīng)將入射光子轉(zhuǎn)化為電流并放大，但測(cè)量之后被測(cè)光子直接被吸收）。總之，想從量子系統(tǒng)中高效地讀出信息是件非常困難的事。

對(duì)量子計(jì)算來說，最理想的測(cè)量是 single-shot 量子非破壞測(cè)量 (quantum non-demolition measurement)——測(cè)量不毀滅被測(cè)粒子、第一次測(cè)量后粒子狀態(tài)不再改變、每次測(cè)量結(jié)果都可分辨。對(duì)于離子阱和金剛石色心，這可以通過激光熒光 (laser-induced fluorescence) 實(shí)現(xiàn)。但超導(dǎo)人造原子只有微波躍遷，且微波光子的能量只有光學(xué)光子的十萬分之一。2010年后，這個(gè)問題終于由電路量子電動(dòng)力學(xué)色散讀出加量子極限放大器 (quantum limited amplifier) 解決——后者是也是一類極低溫下工作的超導(dǎo)電路，放大一個(gè)光子只添一個(gè)光子的噪聲，這是量子漲落導(dǎo)致的海森堡極限。對(duì)量子極限放大器的發(fā)明貢獻(xiàn)最大的是耶魯大學(xué) Michel Devoret 實(shí)驗(yàn)室和伯克利加州大學(xué) Irfan Siddiqi 實(shí)驗(yàn)室。這讓超導(dǎo)量子電路成為第一個(gè)站上臺(tái)階圖第三層的人造系統(tǒng)。

第四層困難就更大了，原因還是量子測(cè)量——理論構(gòu)想中，我們總希望人是量子計(jì)算機(jī)的唯一觀察者?？蓪?shí)際上，環(huán)境無時(shí)無刻不在對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)與環(huán)境產(chǎn)生糾纏，不再保持理想的量子純態(tài)，逐漸失去量子相干性，這個(gè)過程叫量子系統(tǒng)的退相干 (decoherence)。從信息的角度講，量子信息會(huì)逐漸丟失在環(huán)境中而不是進(jìn)入我們的測(cè)量裝置，實(shí)驗(yàn)者是在與環(huán)境搶信息。量子信息丟失的時(shí)間就是這個(gè)系統(tǒng)的相干時(shí)間 (coherence time)。目前，最好的超導(dǎo)人造原子的相干時(shí)間大多在10到100微秒之間。也就是說，直接用它們做成的量子計(jì)算機(jī)最多只能連續(xù)工作萬分之一到十萬分之一秒。

任何量子系統(tǒng)都無法避免退相干。更麻煩的是，相干性與可控性之間有密切聯(lián)系——相干時(shí)間越長(zhǎng)，表明系統(tǒng)與環(huán)境越隔絕，但這同時(shí)意味著它和人也越隔絕，對(duì)它的控制和測(cè)量也越難。我們總是希望量子計(jì)算機(jī)與環(huán)境隔離，但容易被人控制，這本身就是矛盾的。現(xiàn)實(shí)中，不同物理系統(tǒng)的相干時(shí)間會(huì)有很多數(shù)量級(jí)的差別，但相干時(shí)間越長(zhǎng)的系統(tǒng)邏輯操作也越慢（比如天然原子、離子），在相干時(shí)間內(nèi)能完成的運(yùn)算量差別并不大。所以，不談控制、測(cè)量的速度和精度、單純強(qiáng)調(diào)某種系統(tǒng)相干時(shí)間長(zhǎng)是沒有意義的。

由于退相干，量子計(jì)算機(jī)一度被認(rèn)為永遠(yuǎn)不可能做成，直到量子糾錯(cuò) (quantum error-correction) 概念的出現(xiàn)。

糾錯(cuò)在經(jīng)典信息技術(shù)中就很常見。最簡(jiǎn)單地，我們可以對(duì)信息復(fù)制多個(gè)副本來防止個(gè)別副本的誤碼，這與重要文件一式多份防止篡改同理。但是，未知的量子態(tài)是不可復(fù)制的，我們不能為量子信息制作多個(gè)副本。新的思路在1995年出現(xiàn)——我們可以把一量子比特信息分散存儲(chǔ)在幾個(gè)高度糾纏的量子比特里，通過測(cè)量錯(cuò)誤征狀 (error syndrome) 來查錯(cuò)糾錯(cuò)。單獨(dú)的天然或人造原子稱為物理量子比特，多個(gè)物理量子比特糾纏形成容錯(cuò)的邏輯量子比特。經(jīng)過量子糾錯(cuò)，邏輯量子比特的壽命會(huì)遠(yuǎn)超過物理量子比特的相干時(shí)間，這才是真正計(jì)算意義上的量子比特。

到目前，任何實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都沒能做出邏輯量子比特。沒有量子糾錯(cuò)的“量子計(jì)算機(jī)”就只能在相干時(shí)間內(nèi)做一些最簡(jiǎn)單的運(yùn)算。Google、IBM 等公司近兩年一直在比拼芯片上“量子比特”的數(shù)量，但它們都只是壽命幾十微秒的物理量子比特，邏輯量子比特的數(shù)量都是零。

量子糾錯(cuò)是人們研究量子計(jì)算機(jī)迄今為止遇到的最難的問題。在我的理解中，它的實(shí)現(xiàn)將是當(dāng)代量子科技的第三個(gè)里程碑——人類從此有方法保護(hù)在自然界中轉(zhuǎn)瞬即退相干的量子態(tài)，就好比從原始人從采集到種植、從狩獵到畜牧；在工程上，它將為大型通用量子計(jì)算機(jī)提供基本邏輯單元。當(dāng)下量子計(jì)算最大的挑戰(zhàn)就是實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特，而不是在一塊芯片上集成多少物理量子比特。

量子糾錯(cuò)理論在90年代末就達(dá)到了第一個(gè)高潮，其中最重要的成果是 stabilizer code。然而問題遠(yuǎn)沒有這么簡(jiǎn)單：查錯(cuò)、糾錯(cuò)的過程都是復(fù)雜的多比特量子操作，本身就會(huì)引入錯(cuò)誤。stabilizer code 只有在量子邏輯門本身精度非常高的情況下才會(huì)有效，否則就是糾錯(cuò)過程中出的錯(cuò)要比不糾錯(cuò)還多。舉例來說，如果用三級(jí) Steane 7比特糾錯(cuò)碼級(jí)聯(lián)（432個(gè)物理量子比特編碼一個(gè)邏輯量子比特），對(duì)一個(gè)130位的整數(shù)分解質(zhì)因數(shù)需要大概一百萬個(gè)物理量子比特，且比特和邏輯門的出錯(cuò)率不能超過百萬分之一。這在短期內(nèi)是任何技術(shù)都無法企及的。所以，stabilizer code 盡管非常簡(jiǎn)潔通用，但受到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)水平的限制，不是實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特的首選。

新一代的量子糾錯(cuò)方法通過放棄通用性來降低對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的要求——糾錯(cuò)碼不再是抽象的數(shù)學(xué)方法，而是為特定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、特定電路結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)。但這帶來一個(gè)結(jié)果：不同團(tuán)隊(duì)就如何爬第四個(gè)及之后各個(gè)臺(tái)階的路線出現(xiàn)了明顯的分歧；即使做同一種物理系統(tǒng)，也會(huì)因?yàn)椴煌膶?shí)驗(yàn)方案選擇不同的糾錯(cuò)碼。在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，目前主要的路線有兩條：一是平面結(jié)構(gòu)、單片集成、使用 surface code 糾錯(cuò)；另一條路線是三維結(jié)構(gòu)、模塊化集成、使用玻色糾錯(cuò)碼。以下將它們簡(jiǎn)稱為 Google/UCSB 路線和耶魯路線。

A. Google/UCSB 路線

Surface code 本質(zhì)是一種拓?fù)浼m錯(cuò)碼，它用超導(dǎo)量子電路的具體實(shí)現(xiàn)方案由UCSB（現(xiàn)Google）團(tuán)隊(duì)與理論合作者在2012年提出。它的基本物理組成非常簡(jiǎn)單：近鄰耦合的超導(dǎo)人造原子按照平面方格（國際象棋棋盤）排列即可。它對(duì)量子操作精度的要求遠(yuǎn)低于 stabilizer code，當(dāng)前最好的實(shí)驗(yàn)水平幾乎已經(jīng)達(dá)到。這種路線受到很多團(tuán)隊(duì)、特別是商業(yè)公司實(shí)驗(yàn)室的歡迎，Google、IBM、Intel、Regetti Computing 都選擇平面集成大量 transmon 人造原子，其中 John Martinis 帶領(lǐng)的 Google 團(tuán)隊(duì)在工作質(zhì)量和思路創(chuàng)新上明顯領(lǐng)先。

但是 surface code 的劣勢(shì)也是非常明顯的。它的基本單元很簡(jiǎn)單，但代價(jià)是系統(tǒng)極其復(fù)雜，電路規(guī)模巨大。目前，Google 9比特芯片中的兩比特邏輯門保真度 (fidelity) 約是99.3%，要提高到99.5%以上才有用 surface code 進(jìn)行量子糾錯(cuò)的可能。但即使邏輯門保真度再提高十倍（這非常非常困難），實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯量子比特也需要幾千個(gè)物理量子比特，質(zhì)因數(shù)分解一個(gè)5位數(shù)需要約四千萬個(gè)物理量子比特，分解一個(gè)600位數(shù)需要約十億個(gè)物理量子比特！要知道微電子學(xué)經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，今天的 Intel Core i7 芯片上才有十億個(gè)晶體管。并且量子電路的集成并不像經(jīng)典電路一樣直接——芯片做大會(huì)大大增加量子比特之間的串?dāng)_和噪聲，想維持小規(guī)模電路的質(zhì)量非常困難。所以，通過 surface code 實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，并不比大規(guī)模運(yùn)行 Shor 算法這種遙遠(yuǎn)的宏偉目標(biāo)簡(jiǎn)單多少。

選擇 surface code 的商業(yè)實(shí)驗(yàn)室都明白這一點(diǎn)。但他們?cè)谛麄魃蠋缀醵紝?duì)此少談或不談，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)不經(jīng)過量子糾錯(cuò)的小規(guī)模量子電路可能的實(shí)際應(yīng)用。但如第（三）部分所說，50到100個(gè)相干時(shí)間幾十微秒的物理量子比特是否真有實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)在還很不確定。于是這些團(tuán)隊(duì)再退而求其次，將近期目標(biāo)設(shè)為實(shí)現(xiàn) quantum supremacy——在實(shí)驗(yàn)上證明量子電路在解決某個(gè)特定問題時(shí)比所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)都快。2016年Google 團(tuán)隊(duì)在理論上提出，49個(gè)物理量子比特可以在隨機(jī)量子電路的輸出采樣這個(gè)特殊問題上超過所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這離當(dāng)前的技術(shù)前沿并不遙遠(yuǎn)。Quantum supremacy 一旦實(shí)現(xiàn)將會(huì)是量子計(jì)算威力的第一次真實(shí)展示，也因此成了各個(gè)商業(yè)實(shí)驗(yàn)室短期內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)；但這個(gè)實(shí)驗(yàn)的象征意義遠(yuǎn)大于實(shí)際價(jià)值——這個(gè)量子電路算得更快的問題是專門為驗(yàn)證 quantum supremacy 設(shè)計(jì)的，并不是一個(gè)實(shí)際問題。Google 團(tuán)隊(duì)及其理論合作者也多次公開表示，quantum supremacy 只是通向?qū)嵱昧孔佑?jì)算的長(zhǎng)征上的一個(gè)近期階段性目標(biāo)，目的在于演練對(duì)小規(guī)模量子系統(tǒng)的控制能力；僅實(shí)現(xiàn) quantum supremacy 的芯片依然不能做任何有用的工作。

B. 耶魯路線

2013年起，耶魯團(tuán)隊(duì)與其理論合作者提出了另一種非常不同的量子糾錯(cuò)方案——用諧振腔內(nèi)的微波光子作為邏輯量子比特，超導(dǎo)人造原子僅用來控制和測(cè)量微波光子，通過量子非破壞測(cè)量對(duì)微波光子的宇稱 (parity) 做持續(xù)追蹤來實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)。按編碼邏輯量子比特的光子態(tài)的不同，具體的糾錯(cuò)方法有 cat code、pair-cat code、binomial code、GKP code 等很多種，統(tǒng)稱為玻色糾錯(cuò)碼（光子是一種玻色子）。以微波光子做邏輯量子比特有很多好處——諧振腔內(nèi)光子的壽命長(zhǎng)、能級(jí)多、誤碼原因簡(jiǎn)單（光子損耗）、與超導(dǎo)人造原子相互作用強(qiáng)...... 更重要的是，這是一種高效利用硬件的糾錯(cuò)方案——一兩個(gè)物理量子比特和一兩個(gè)諧振腔就能構(gòu)造一個(gè)邏輯量子比特，不像 surface code 需要成千上萬個(gè)物理量子比特。過去五年里，耶魯團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì) cat code 進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，在2016年突破了量子糾錯(cuò)的 break-even point——第一次在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得邏輯量子比特的相干時(shí)間長(zhǎng)于它的所有物理組成；在2018年初實(shí)現(xiàn)了誤碼征狀的容錯(cuò)測(cè)量，將邏輯量子比特的相干時(shí)間提高到1.9毫秒，遙遙領(lǐng)先于其他團(tuán)隊(duì)。另外，分別位于巴黎高等師范學(xué)院、芝加哥大學(xué)、清華大學(xué)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室也都在用相似電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行玻色糾錯(cuò)碼的實(shí)驗(yàn)研究。

玻色糾錯(cuò)碼的實(shí)現(xiàn)難度也很大。我們需要非常巧妙地設(shè)計(jì)系統(tǒng)中超導(dǎo)人造原子和微波光子之間的相互作用，來實(shí)現(xiàn)一些精巧的人造量子光學(xué)過程（例如四光子泵浦等）。另外，如何糾正多光子損耗、如何平衡各種玻色糾錯(cuò)碼的利弊等問題都很挑戰(zhàn)。但在當(dāng)前進(jìn)展下，這些難題很有希望在短期內(nèi)被攻克，而不是非常遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

總結(jié)說，Google 路線是先集成、再糾錯(cuò)，基本單元簡(jiǎn)單，電路規(guī)模龐大，主要難度在于工程復(fù)雜性；耶魯路線是先糾錯(cuò)、再集成，電路精簡(jiǎn)，主要難度在于精巧的量子光學(xué)過程。但無論哪條路線，最重要的都不是物理量子比特?cái)?shù)量。

耶魯路線無需集成大量物理量子比特就有希望實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特。Google 路線需要大規(guī)模平面集成，但比數(shù)量更重要的是質(zhì)量——數(shù)量做大并非難事，真正困難的是如何在芯片做大的同時(shí)保證每個(gè)量子比特的相干時(shí)間以及量子邏輯門和量子測(cè)量的保真度。這也是 Google 團(tuán)隊(duì)過去幾年工作最出色的地方：5比特、9比特芯片上每一個(gè)物理量子比特的質(zhì)量幾乎都與單獨(dú)測(cè)量的時(shí)候一樣高，并希望能延續(xù)到22比特 Foxtail 芯片。這個(gè)數(shù)字不是隨便選的——與5比特、9比特的一字排開不同，22比特將采用雙排排列，這是形成二維陣列的第一步，將帶來很多芯片結(jié)構(gòu)和工藝的新挑戰(zhàn)。這就是量子電路研究，每往前一步都要無比謹(jǐn)慎，越往下走越難。John Martinis 一向以治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)甚至苛刻聞名，在他的領(lǐng)導(dǎo)下 Google 團(tuán)隊(duì)正在高質(zhì)量、有章法地沿著自己提出的路線步步為營(yíng)。然而不是所有團(tuán)隊(duì)都像這樣扎實(shí)，這兩年超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域最流行的宣傳賣點(diǎn)就是量子比特?cái)?shù)，不考慮量子糾錯(cuò)方案、不強(qiáng)調(diào)控制和測(cè)量的精度，好像誰的芯片上物理量子比特多誰就領(lǐng)先了一步。各家 IT 巨頭和創(chuàng)業(yè)公司動(dòng)不動(dòng)就在新聞或年會(huì)上“發(fā)布”一塊多少比特的芯片，以證明自家的“進(jìn)展”和“競(jìng)爭(zhēng)力”，這樣是純粹的商業(yè)炒作，在科學(xué)上沒有意義。2018年3月5日早上，Google 團(tuán)隊(duì)的 Julian Kelly 在美國物理學(xué)會(huì)三月年會(huì)一場(chǎng)邀請(qǐng)報(bào)告的最后展示了一下72比特 Bristlecone 芯片的設(shè)計(jì)版圖（我就在會(huì)場(chǎng)），這根本不是那場(chǎng)報(bào)告的重點(diǎn)；但它立刻被宣傳成“Google 發(fā)布72比特量子芯片”，甚至在半天內(nèi)席卷中文媒體，朋友圈里排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)，還引發(fā)了各種一本正經(jīng)的對(duì)當(dāng)下“量子爭(zhēng)霸”的“戰(zhàn)略評(píng)論”，實(shí)在讓人覺得荒唐。看過這些亂象，我向大家推薦三條屢試不爽的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)：

1. 所有以量子比特?cái)?shù)作為首要亮點(diǎn)的“進(jìn)展”幾乎都是炒作
2. 所有在新聞媒體上首發(fā)或大肆渲染的“進(jìn)展”幾乎都是炒作（包括麻省理工科技評(píng)論，那是一家獨(dú)立運(yùn)行的商業(yè)創(chuàng)投雜志，不是學(xué)術(shù)期刊）
3. 所有在朋友圈里大量轉(zhuǎn)發(fā)、被非專業(yè)人群大量關(guān)注的“進(jìn)展”幾乎都是炒作

量子糾錯(cuò)之上的各個(gè)臺(tái)階（邏輯量子比特的控制、糾纏、測(cè)量，到最終的容錯(cuò)量子計(jì)算）難度只會(huì)更大，具體有哪些挑戰(zhàn)現(xiàn)在還無法預(yù)計(jì)，因?yàn)槲覀兊膶?shí)踐還根本沒有到那個(gè)階段。不過在這方面耶魯團(tuán)隊(duì)再次領(lǐng)先一步——2016實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振腔之間的糾纏、2017年底實(shí)現(xiàn)光子收發(fā) (photon pitch-and-catch)，2018年初通過量子隱形傳態(tài)實(shí)現(xiàn)兩比特邏輯門 (teleported CNOT gate)。這些都是直接對(duì)邏輯量子比特的操作，只是微波光子還未經(jīng)量子糾錯(cuò)。耶魯路線允許我們現(xiàn)在同時(shí)開始挑戰(zhàn)第四、五、六個(gè)臺(tái)階，一系列結(jié)果還是非常振奮人心的。

相信以上都看下來的童鞋已經(jīng)明白，量子計(jì)算是一條越爬越陡的天梯，我們現(xiàn)在還只處于很初步的階段。我們遇到的問題會(huì)越來越多、越來越難，但我們解決問題的能力也會(huì)越來越強(qiáng)。大型、通用、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)什么時(shí)候做出來？任何明確答案都是不負(fù)責(zé)任的，因?yàn)樗y做、未知挑戰(zhàn)太多、現(xiàn)在我們根本沒法給出負(fù)責(zé)任的估計(jì)。用另一條經(jīng)驗(yàn)判據(jù)結(jié)束這一部分：

在現(xiàn)階段，所有“多少年后做出量子計(jì)算機(jī)”的承諾都是炒作。

（七）量子計(jì)算何時(shí)商業(yè)化？

進(jìn)軍量子計(jì)算的商業(yè)公司很早就有了。2007年，在學(xué)術(shù)界還在研究基本的物理量子比特的時(shí)候，一家叫 D-Wave System 的神秘加拿大公司突然宣布自己做出了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的原型機(jī) Orion。Orion 不是一臺(tái)基于邏輯門的通用量子計(jì)算機(jī)，而是一臺(tái)量子退火機(jī) (quantum annealer)。它有16個(gè)超導(dǎo)量子比特，但不對(duì)量子比特做單獨(dú)控制，而是用絕熱演化的結(jié)果求解一些特定問題。之后，D-Wave 的退火機(jī)越做越大，2011年推出128比特的 D-Wave One，這是世界第一個(gè)量子計(jì)算商品，售價(jià)1000萬美元，被軍火巨頭洛克希德·馬丁 (Lockheed Martin) 公司買下；2013年推出512比特的 D-Wave Two，被 Google、NASA、USRA 聯(lián)合買下；之后在2015和2017年又推出了1000比特和2048比特的 D-Wave 2X 和 D-Wave 2000Q，全都找到了買主。

這些聽上去很厲害的 D-Wave 機(jī)器到底有多強(qiáng)大？這在十年來一直爭(zhēng)議不斷。問題是，科學(xué)家甚至說不清 D-Wave 退火機(jī)到底是不是一臺(tái)量子機(jī)器。D-Wave 機(jī)器里有沒有量子糾纏？一些實(shí)驗(yàn)表明很可能有。那 D-Wave 機(jī)器有沒有量子加速？絕大部分測(cè)試表明沒有。特別在2015年，一支合作團(tuán)隊(duì)（包括 John Martinis 在內(nèi)）用 D-Wave Two 最適合解決的專門問題對(duì)它的計(jì)算復(fù)雜度隨問題規(guī)模的增長(zhǎng)規(guī)律做了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試，結(jié)果是這臺(tái)512比特的機(jī)器沒有任何量子加速！這一大堆量子比特放在一起到底發(fā)生了什么？誰都說不清楚。不過測(cè)試 D-Wave 機(jī)器的過程很大程度上幫助科學(xué)家們明確了量子加速 (quantum speed-up) 的嚴(yán)格定義。另外一點(diǎn)是很有趣的：人們用一堆量子比特很容易地就造出了一臺(tái)自己不理解的機(jī)器。直到現(xiàn)在，基于量子退火的絕熱量子計(jì)算 (adiabatic quantum computing) 還是量子計(jì)算中的一個(gè)比較獨(dú)立的分支，不少人都在繼續(xù)發(fā)掘它的潛力，希望它能對(duì)解決一些特定的優(yōu)化、仿真問題發(fā)揮作用。

量子計(jì)算真正的商業(yè)熱潮從2014年開始——Google 全員買下了 John Martinis 在圣芭芭拉加州大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，成為“ Google 量子人工智能實(shí)驗(yàn)室”的一部分，并立刻給這群低調(diào)的科學(xué)家配上了強(qiáng)大的宣傳團(tuán)隊(duì)。各家 IT 巨頭紛紛坐不住了，各種專營(yíng)量子計(jì)算的創(chuàng)業(yè)公司也開始出現(xiàn)。

目前，各種參與量子計(jì)算的商業(yè)公司主要分四類：

第一類是 IT 或工業(yè)巨頭，其中 IBM 和微軟上場(chǎng)遠(yuǎn)比 Google 早。IBM 十多年前就在 Waston 研究中心建立了以耶魯畢業(yè)生和博士后為骨干的、頗具規(guī)模的超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室和理論組。IBM 的量子實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)專注于扎實(shí)的基礎(chǔ)研究，領(lǐng)取政府經(jīng)費(fèi)，與大學(xué)實(shí)驗(yàn)室無異；直到幾年前才開啟商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)模式。

微軟很早就在圣芭芭拉加州大學(xué)內(nèi)建立了 Station Q，專注于“拓?fù)淞孔佑?jì)算”理論，也曾是完全的學(xué)術(shù)導(dǎo)向。這兩年微軟在荷蘭 Delft 理工學(xué)院、丹麥哥本哈根大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)、美國馬里蘭大學(xué)、普渡大學(xué)、Redmond 總部都新建了 Station Q；最重要的是，把這一領(lǐng)域最有影響力的兩位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Leo Kouwenhoven 和 Charles Marcus 收入麾下。

Intel 2015年起也不甘落后，并且兵分兩路，在 Delft 理工學(xué)院與 Leonardo DiCarlo 實(shí)驗(yàn)室（前耶魯博士后）合作發(fā)展超導(dǎo)量子電路，同時(shí)與 Lieven Vandersypen 實(shí)驗(yàn)室合作發(fā)展硅量子點(diǎn)。

通用汽車公司與波音公司聯(lián)合所有的 Hughes Research Laboratories (HRL) 也已經(jīng)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)方向投入多年。

……

第二類是大學(xué)教授兼職創(chuàng)辦的新公司，支持與轉(zhuǎn)化自己學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室的成果。

2015年底，耶魯超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)者——Robert Schoelkopf 和 Michel Devoret 與研究員 Luigi Frunzio 創(chuàng)辦 Quantum Circuits, Inc.，2017年11月完成 A 輪1800萬美元融資。

2016年，馬里蘭大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Christopher Monroe 與杜克大學(xué)電子學(xué)家 Jungsang Kim 創(chuàng)辦主攻離子阱的 IonQ, Inc.，2017年7月完成 B 輪2000萬美元融資。

2018年初，因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Rainer Blatt、Thomas Monz 與理論物理學(xué)家 Peter Zoller 在政府和大學(xué)的支持下創(chuàng)辦離子阱公司 Alpine Quantum Technologies，也已得到1200萬美元經(jīng)費(fèi)。

……

第三類是自主創(chuàng)業(yè)、有完整硬件實(shí)驗(yàn)室的新公司。其中最有名的是位于加州伯克利的 Rigetti Computing，由耶魯博士畢業(yè)的 Chad Rigetti 在2013年創(chuàng)辦，現(xiàn)在融資已接近7000萬美元，員工近百人。

第四類只做周邊軟件產(chǎn)品。這樣的公司這兩年出現(xiàn)了很多。

這些“量子企業(yè)”到底多有希望？我的個(gè)人觀點(diǎn)是：不同類別公司的性質(zhì)是非常不同的。

第二類（學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室 spin-off）會(huì)對(duì)當(dāng)前的量子計(jì)算發(fā)展非常有幫助。量子實(shí)驗(yàn)正朝著越來越復(fù)雜的方向發(fā)展，除了核心的物理原理外還涉及大量的工程細(xì)節(jié)，其工作量已接近傳統(tǒng)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的極限。此時(shí)，來自專業(yè)工程團(tuán)隊(duì)的支持，例如標(biāo)準(zhǔn)化的零件、加工工藝、專用的電子設(shè)備、控制程序?qū)?huì)極大地提高科研的效率。這類公司一方面解決實(shí)驗(yàn)中的工程問題，另一方面將學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室的成果做大做規(guī)范，這是一種非常良性的互動(dòng)。不過，它們短期內(nèi)一般沒有很大的盈利計(jì)劃，規(guī)模也很小。

第一類和第三類公司都有很強(qiáng)的盈利目的，但都自建或接管強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，身體力行做量子計(jì)算機(jī)，在工作和宣傳方式上也都很類似。它們的主要區(qū)別在于承受風(fēng)險(xiǎn)的能力不同，巨頭企業(yè)更能承受長(zhǎng)期投入而不見回報(bào)的基礎(chǔ)研究（當(dāng)然這也很容易導(dǎo)致項(xiàng)目下馬）。

當(dāng)前量子計(jì)算的主要瓶頸顯著集中在物理實(shí)驗(yàn)，離開硬件基礎(chǔ)提出的各種過于超前的軟件概念實(shí)際意義并不大。但這恰恰成為近幾年量子商業(yè)熱潮的焦點(diǎn)。第四類企業(yè)主營(yíng)的有面向量子計(jì)算的編程語言、編譯器、云服務(wù)，還有其它各種把信息技術(shù)概念前面加上量子兩個(gè)字，組成一些聽起來高大上、但實(shí)在不知道是什么意思的名詞。這些開發(fā)成本低、周期快、新聞效應(yīng)強(qiáng)（龐大的 IT 業(yè)界都能聽懂），但其實(shí)與量子沒有直接關(guān)系。在我看來，它們是純粹的商業(yè)行為，重點(diǎn)是借當(dāng)前的量子熱潮用“概念”盈利，無關(guān)于量子計(jì)算的主要挑戰(zhàn)和長(zhǎng)期發(fā)展。換句話說，這些公司就沒打算真做量子計(jì)算機(jī)。

所以，量子計(jì)算商業(yè)化了嗎？沒法說，因?yàn)?b>眼下的“量子產(chǎn)業(yè)”處于一種奇怪的形態(tài)。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，“量子硬件”仍明顯在拖“量子軟件”的后腿?？梢灶A(yù)見至少在未來的一二十年里，量子計(jì)算的最大挑戰(zhàn)還將集中于基本的物理實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜、開放量子系統(tǒng)的物理理論，將長(zhǎng)期是一種基礎(chǔ)研究。但這幾年它被突然推到了產(chǎn)業(yè)的浪潮里，人類歷史上都幾乎從沒有過一種基礎(chǔ)研究如此受到產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。大家在物理實(shí)驗(yàn)還非常原始的情況下，拼命地尋找它可能的實(shí)際應(yīng)用，開發(fā)各種周邊產(chǎn)品和“服務(wù)”，配合及其高調(diào)的宣傳，竭盡全力地尋找商機(jī)。產(chǎn)業(yè)界是現(xiàn)代科技發(fā)展的一大推動(dòng)力，但我不認(rèn)為眼下這種形式的“商業(yè)化”會(huì)明顯促進(jìn)量子計(jì)算的發(fā)展，也不認(rèn)為這波熱潮能持續(xù)多久。量子計(jì)算面臨的不只是工程挑戰(zhàn)，還有許多基本的科學(xué)問題，很有可能屬于“世紀(jì)難題”。它與現(xiàn)實(shí)的距離比無人駕駛、電動(dòng)車、商業(yè)航天等要遠(yuǎn)的多得多，我們千萬不能用科技產(chǎn)品研發(fā)的思路理解量子計(jì)算機(jī)的研究。它的真正問世需要長(zhǎng)期、穩(wěn)定的支持，而不是利益驅(qū)動(dòng)的商業(yè)炒作。

（八）中國的量子計(jì)算處于什么水平？

與美國和歐洲相比，處于很初級(jí)的階段。

為什么？首先因?yàn)榱孔佑?jì)算不是一個(gè)憑空出現(xiàn)的學(xué)科，它根源于物理和工程的長(zhǎng)期發(fā)展之上。例如，離子阱的基礎(chǔ)是現(xiàn)代原子物理；超導(dǎo)量子電路是介觀凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)的結(jié)合；低溫物理有超過百年的歷史，稀釋制冷技術(shù)最早出現(xiàn)在1960年代，至今仍基本被歐洲壟斷；我們每天實(shí)驗(yàn)用的電子設(shè)備很多都來自美國幾十年前的軍工研究...... 在這樣的積累下，量子計(jì)算非常自然地在歐美首先出現(xiàn)，并且持續(xù)積累、領(lǐng)先至今。對(duì)這一領(lǐng)域貢獻(xiàn)最大的科學(xué)家們（第五部分中提到的各位）青年時(shí)代從事的都是相關(guān)方向的基礎(chǔ)研究，一步步創(chuàng)造了各種理論與實(shí)驗(yàn)方法，建立起這個(gè)活躍的新學(xué)科。

1996年，奧地利維也納大學(xué) Anton Zeilinger 實(shí)驗(yàn)室來了一位叫潘建偉的中國博士生。他參與了許多重要的光子糾纏實(shí)驗(yàn)，五年后回到中科大。十幾年來，潘建偉的實(shí)驗(yàn)室在多光子糾纏方面有許多漂亮的基礎(chǔ)工作，并且大力推廣實(shí)用化量子通信。2016年，中國發(fā)射了第一顆量子通信衛(wèi)星，并在2017年實(shí)驗(yàn)成功；同年，中國開通了超過2000公里的“量子保密通信京滬干線”。目前，中國是對(duì)量子通信技術(shù)投入最大的國家，實(shí)踐上也最為領(lǐng)先。（關(guān)于量子通信的討論見第二部分）

但中國在量子計(jì)算方面就要落后的多。全世界頂級(jí)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室本來就很少，其中的中國人更少，不少實(shí)驗(yàn)室甚至從不招收未在歐美受過訓(xùn)練的中國學(xué)生（主要是出于對(duì)中國學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟恍湃危皇鞘裁瓷婷軉栴}）。直到這幾年才開始有訓(xùn)練有素的年輕科學(xué)家回到中國。例如在超導(dǎo)量子電路方面，John Martinis 的博士后王浩華老師回到浙江大學(xué)，Robert Schoelkopf 的博士后孫麓巖老師回到清華大學(xué)，成為兩大陣營(yíng)在中國的代表。其它實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也大多如此。所以說，專業(yè)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室在中國只是剛剛落地出現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)積累、合作者水平、學(xué)生水平都比世界頂級(jí)組差一大截，當(dāng)前的主要任務(wù)是訓(xùn)練團(tuán)隊(duì)和基本技術(shù)，模仿、追蹤世界前沿，暫時(shí)不具備做出重大成果甚至引領(lǐng)方向的能力。這是所有后來者都必須經(jīng)過的起步階段，是最最正常不過的。

最近，中國的量子計(jì)算已經(jīng)有了非?？上驳倪M(jìn)步。例如去年，浙江大學(xué)與中科大的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)按照 UCSB/Google 路線，平面集成了10個(gè)超導(dǎo)人造原子（物理量子比特）并實(shí)現(xiàn)了它們的量子糾纏。上周，清華孫麓巖老師的實(shí)驗(yàn)室在美國物理學(xué)會(huì)三月年會(huì)上展示了一個(gè)量子糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，很接近耶魯團(tuán)隊(duì)2016年發(fā)表的工作。這都是非常好的趨勢(shì)，說明中國現(xiàn)在已經(jīng)有了專業(yè)的、有高質(zhì)量產(chǎn)出的量子實(shí)驗(yàn)室。

但是，有一點(diǎn)進(jìn)步就開始浮夸宣傳是非常危險(xiǎn)的。

去年五月，我的朋友圈里排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)了一條“重大新聞”：中國研制出世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)！打開一看，是中科大的五光子玻色采樣實(shí)驗(yàn)。雖然這兩年早已習(xí)慣了各種夸大宣傳，但這個(gè)標(biāo)題實(shí)在超出了我的想象力（正確的說是：中科大發(fā)表了一個(gè)有趣的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)）。這種宣傳氣勢(shì)再與量子通信、“量子衛(wèi)星”的新聞結(jié)合，甚至讓很多在國外讀博的同學(xué)都相信了中國的量子科技已經(jīng)領(lǐng)先世界。最近，阿里、騰訊、百度紛紛開始了自己的量子“戰(zhàn)略布局”，但從新聞稿來看，除了“量子”兩個(gè)字反復(fù)出現(xiàn)外，基本不明白他們究竟想干什么（可以歸入上一部分提到的第四類公司）。2015年，阿里巴巴與中科大建立了聯(lián)合量子實(shí)驗(yàn)室，各方領(lǐng)導(dǎo)隆重出席，但新聞稿通篇都是科學(xué)錯(cuò)誤，公布的“研究計(jì)劃”無異于畝產(chǎn)十萬斤。美國各家公司的宣傳大戰(zhàn)盡管都有夸大、避重就輕，但總體還是有尺度的；中國的浮夸宣傳完全則看不到底線在哪兒。

可喜的進(jìn)步也被各種夸大。浙江大學(xué)與中科大的10比特芯片被重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)比 UCSB/Google 多一比特，也開始加入沒有意義的比特?cái)?shù)大戰(zhàn)（見第六部分最后的解釋）。其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)中量子比特的質(zhì)量、控制精度、復(fù)雜度都比 Google 差很多，也沒有明顯的方法創(chuàng)新。這是一個(gè)非常好的、符合現(xiàn)階段發(fā)展需求的追蹤工作，但不應(yīng)該繼續(xù)夸大。很多貌似專業(yè)的知乎答主都說這項(xiàng)工作至少代表中國的量子計(jì)算進(jìn)入了世界第一集團(tuán)，我只能說這么認(rèn)為的人大大低估了世界第一集團(tuán)的水平。如果非要說這是一項(xiàng)“重大成果”，我只能說不同人對(duì)“重大成果”的定義很不一樣。

量子計(jì)算與科技創(chuàng)投、大型工程（比如土木、機(jī)械、航天）都不一樣，它不是人到錢到說發(fā)展就發(fā)展，而是一個(gè)在優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)下漫長(zhǎng)的積累過程。為此我的另一個(gè)擔(dān)心是國內(nèi)的人才儲(chǔ)備：中國的基礎(chǔ)教育乃至大學(xué)本科都是以書本為中心，非常輕視科學(xué)直覺和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，善于做題而不善于解決具體問題，這是大多數(shù)亞洲學(xué)生的通病。這一點(diǎn)不得到根本改變，中國的實(shí)驗(yàn)科學(xué)還將長(zhǎng)期落后于歐美，包括量子計(jì)算在內(nèi)。這是我在耶魯實(shí)驗(yàn)室工作兩年多的深刻體會(huì)。只有當(dāng)高水平的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練成為了年輕學(xué)生不難得到的資源，中國的科學(xué)才真正有能力在質(zhì)量上和西方競(jìng)爭(zhēng)。

（九）結(jié)束語：我們?yōu)槭裁匆芯苛孔佑?jì)算？

最后，說幾句個(gè)人觀點(diǎn)，涉及到自己的科學(xué)史觀。

量子計(jì)算機(jī)能做什么？破密碼、做優(yōu)化、加速機(jī)器學(xué)習(xí)...... 這些還都很不確定，在短期內(nèi)也很難實(shí)現(xiàn)。那還費(fèi)勁做這東西干嘛？我自己認(rèn)為，量子計(jì)算的研究過程將是人類物質(zhì)科學(xué)和工程的一次本質(zhì)進(jìn)步。

在歷史上，人類的大多數(shù)科技和產(chǎn)業(yè)革命都是物質(zhì)科學(xué)（特別是物理學(xué)）推動(dòng)的。變革產(chǎn)生的前提是人能發(fā)現(xiàn)新的自然現(xiàn)象、控制新的“自然力”、擴(kuò)展在自然中的實(shí)踐范圍。學(xué)會(huì)工具、學(xué)會(huì)用火、農(nóng)業(yè)出現(xiàn)、鐵器出現(xiàn)、蒸汽革命、電氣革命無不如此。但有一個(gè)例外，就是最近的信息革命。信息革命雖然以物理為基礎(chǔ)（電磁場(chǎng)、半導(dǎo)體、激光），但核心不是物理，而是數(shù)字邏輯。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，軟件與硬件逐漸分離——底層硬件逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，一步步接近物理極限，方法越來越受限制；主要的創(chuàng)新集中于頂層軟件，這種趨勢(shì)在今天的互聯(lián)網(wǎng)、人工智能的熱潮中日益明顯。其它學(xué)科也大多如此，機(jī)械、材料等傳統(tǒng)的“硬工科”雖然也在發(fā)展，但很少有本質(zhì)突破，對(duì)社會(huì)的影響也日趨有限。一個(gè)直接表現(xiàn)是，不同專業(yè)的同學(xué)集體轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)，“硬工科”畢業(yè)都不那么好找工作。

而量子計(jì)算是物質(zhì)科學(xué)引領(lǐng)科技發(fā)展的一次新嘗試，它第一次試圖在量子水平上構(gòu)造、控制物質(zhì)系統(tǒng)，在探索自然的同時(shí)極大地?cái)U(kuò)展了人類工程實(shí)踐的范圍，上次邁出這樣一大步也許要追溯到電氣和核能。人們現(xiàn)在拼命尋找的量子計(jì)算機(jī)的各種應(yīng)用可能都不是最重要的，就像17世紀(jì)的人想象不到什么是手機(jī)一樣，我們現(xiàn)在也根本不知道當(dāng)人類能自如人造控制量子系統(tǒng)之后能做多么不可思議的事情。

我認(rèn)為量子計(jì)算是當(dāng)前最重要的科技問題之一，盡管真正實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還比較遙遠(yuǎn)。說白了有點(diǎn)像那句話：

We choose to go to the moon.