【转载】IT新曙光——“遇事不决，量子力学” 的问与答

前言：

量子计算究竟是怎么回事，现在发展到什么阶段了，不是专业人士可能真的没机会了解。本文就通过得到课程上面的李铁夫老师对于量子计算的问与答分享给大家，希望对大家的生活与工作有所帮助。李铁夫老师是清华大学微电子学研究所的副研究员，从事量子计算机科研工作将近20年。

问与答：

1. 量子有没有具体物理实体？是不是光子？为什么会有叠加态和量子纠缠？能不能用最简单的方式解释，让我们非专业的人也能听懂？
回答：要讲清楚量子物理的原理，太难了。在大学里，专业学生都要学好几个学期。所以，我在这儿只能简单介绍一下，让你感受一下量子世界的神奇。
首先，我要告诉你，你不要把量子当成一个像电子、原子这样的实体。你问这个问题，可能觉得，量子是一个比原子、电子还小的东西。你脑子里的模型，已经习惯了我们找到越来越小的单元，去理解和解释这个世界。物理学家也曾经这么期待，这个世界可以拆分得越来越小，只是尺度更小了，但基本规则是不变的。
不过，在100年前，物理学家发现，用以往的基本规则，也就是经典物理，在尺度很小的情况下，没办法解释实验中的新现象了。所以，建立了新规则，就叫作量子物理。
所以，对于普通人来说，你可以把“量子”这个概念当作一个开关。当你听到量子的时候，就代表着我们解释的规则变了，从经典物理换到了量子物理。
那经典物理和量子物理这两套规则有什么关系呢？就像宏观经济学和微观经济学一样。我们描述宏观经济学的理论，没法儿完全解释微观经济学的现象。虽然我们知道，微观构成了宏观，但它们是两套解释模型。
不严谨地说，我们要把能量分成一份一份的，才能解释新现象，这就是量子的思想。物理学家在这个基础上，建立了一套数学解释体系，叫做量子力学。反过来，我们通过量子力学的规则，也可以完成对量子的操控，进行计算工作，就是量子计算。
这个时候，再来看前面的问题。量子有没有实体？电子、光子是不是量子呢？其实，量子更是一个概念，一种思想。比如电子、光子，它们都是量子体系，因为它们遵循了量子物理的规则。
接下来，我给你简单解释一下量子叠加和量子纠缠。
量子叠加是什么呢？我打个比方。你可能听说过薛定谔的猫，这就可以理解成一只量子猫。
这只猫在同一时刻，用我们经典物理的规则来看，要么是生，要么是死，没有其他可能性。但是，量子物理中，它能够处于既生又死的状态，可能是20%生80%死，也可能是一半生一半死，甚至生死的比例还可以随时间发生变化。那么，这只猫所处的这种状态，在量子物理中称作“量子叠加态”，意思是说，有两种基本状态叠加在一起。你可能觉得有点难理解，没关系。
再来说说量子纠缠。就是说，如果几个量子之间产生了纠缠，那这几个量子就丧失了自我，成为了一个集体。比如说，一个量子在地球，另一个在银河系边上。即便我们只是观测其中一个，另一个也会马上变化。
上面我所说的，不论是量子纠缠还是量子叠加，都是我们发现的现象。至于说，它们为什么会这样，我们无法解释。我们现在只能用数学公式去描述它。

2. 前几年量子计算机还只是愿景般的存在，那么这次谷歌的重大突破究竟有多重大？中国现在量子计算的研发在世界上处于什么水平？

回答：要说说最近谷歌的量子霸权代表着什么，我想先说一说量子计算机的发展。
量子计算的理论从上世纪八十年代就开始了，不过真正把它运用到计算上，还是从量子比特真正实现开始的。比特就是比特币的比特，你可以把它理解成是一个信息的基本单位，量子比特就是说，计算机里的信息单位可以用量子物理规则来实现了。
以我所从事研究的超导量子比特为例，它在1999年的时候，在日本NEC公司蔡兆申教授的实验室第一次被成功演示。后来，各种形式的量子比特也被逐一实现，比如离子阱、量子点、核磁共振等形式的量子比特。这意味着，量子计算机的诞生。
实现了量子比特之后，大家就开始扩大量子比特的规模。科学家们开始熟悉这个新生事物，研究了量子比特的各种设计方案，尝试了很多材料和结构。其中，标志性的进展有两个，一个是2017年的时候，IBM发布了20个超导量子比特的量子计算机；另一个是2018年，美国初创企业IonQ公司发布了11个量子比特的离子阱量子计算机。
随着量子比特数量和质量的增加，运算能力也越来越高了。直到最近，发生了一件里程碑式的事件，Google宣布，在他们53个量子比特的量子计算机中实现了“量子霸权”。
所谓的量子霸权，就是说对某一个计算问题，量子计算拥有了超越所有经典计算机的计算能力。Google就宣称，他们的量子计算机成功地在3分20秒时间内，完成了一个专门的计算问题，而传统计算机计算这个问题需要1万年的时间。
不过，这只是解决了一个特定的计算问题。我必须要承认，一台大规模的、能解决实际问题的量子计算机，什么时候能够实现，学术界还没有一个明确的时间点。但好消息是，量子计算这种计算思想，已经在数学上被严格证明了，而且迄今为止，我们并没有发现任何物理学上的困难，会限制量子计算机的实现。所以，量子计算被实现的可能性很大。
那我们国家的量子计算研究进展如何？我可以很自豪地告诉你，中国处在国际科研的第一梯队。在超导电路、拓扑器件、量子点、离子阱和光子等多个可行方案上，都有团队做出了世界级的成果。因此，我有理由相信，在量子计算机的研发过程中，中国一定会取得跟国力匹配的科技地位。

3. 量子计算对我们普通百姓的生活到底有什么看得见的影响？比如以后的密码都没用了怎么办？对区块链有影响吗？

回答：首先，我们来谈谈量子计算机破解密码这件事。
现在我们常用的一种加密方法，叫做RSA加密。理论上来说，如果要破解它，需要经典计算机几百万年的时间，但是如果用量子计算机，几分钟就能破解了。
但是，我们还做不出这么一台量子计算机。据估算，想要真正破解RSA加密，需要一台含有至少百万个量子比特的量子计算机，而今天世界上最好的量子芯片，也只有53个量子比特。所以，从理论到实际应用，还有很长的路要走。
就算RSA加密体系能够被量子算法破解了，还有其他常用的量子加密方案，我们还没有对应的量子算法，比如比特币所用的椭圆曲线加密算法。所以，就算现在手头就有一台量子计算机，也没法在短时间内破解比特币。
当然了，现在没有，并不代表以后永远不会有。科学家们已经想到这一点了，对量子加密方案进行了研究。一旦量子计算机对现有的密码体系构成了威胁，就可以立刻启用量子加密技术，建立起新的平衡，确保社会秩序、国家安全不会受到侵害。
其实，除了破解密码之外，量子计算机还有更大更重要的用武之地。比如，可以利用量子模拟来研究特效药、提高能源效率；可以利用量子优化来帮助解决交通拥堵、提高投资收益等等。解决这些问题的核心就在于，用量子计算机可以算得更快，处理更大的数据量，这些领域有可能成为量子计算第一批实用化和商用化的突破，给我们普通人的生活带来切实的改变。

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