来源：深圳新闻网

谷歌的量子处理器。

量子计算机计算出的蛋白质的三维结构。

量子芯片。

顶级期刊《科学》杂志的封面。

设计建造中的量子计算机。

11月6日，当人们的目光都聚焦于美国大选时，谷歌宣布：已经成功利用一台54量子比特的量子计算机，实现了传统架构计算机无法完成的任务。在世界最厉害的超级计算机需要计算1万年的实验中，量子计算机只用了200秒。这是一个堪称“恐怖”的计算速度！谷歌称其为“迈向全面量子计算的里程碑”。

科学家表示，能量更大的量子计算机可以用比现有计算机更快的速度进行数据分析和运算，从而有望给科学、健康、生态、环境、金融等领域带来重大改观。什么是量子，什么是量子计算机，量子计算机有多强，量子计算机将给世界带来什么样的变革？

释义什么是量子？

量子不是一种粒子，它在多数情况下是一个形容词而不是名词。它也不是指分立、不连续，而是一套自然规律的总称——这套规律是人类现有认识范围内物质世界的“基本法”。

用个类比：古时候人们就懂得万物生长靠太阳、种田栽树要浇水施肥，这些都是农作物生长的规律；而现在我们知道，这些绿色植物生命活动的本质是细胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化学过程。

物理世界也是如此。我们日常生活中接触到的各种力、热、电、光现象大多可以用建立于十七到十九世纪的经典物理学解释；但进入二十世纪后，科学家们发现世界是由原子组成的，如果想从分子、原子水平上更本质地理解自然现象，就必须引入一套与经典物理很不一样的新规律，这就是量子力学。

量子物理是人类迄今为止建立的最基础、最精确的科学理论，现代物理学的主体就是量子力学在各种不同物质尺度上的具体延伸和应用。然而，依人们日常的经验和直觉来看，这套规律非常诡异，尤其是下面三点：

量子叠加（quantum superposition）：在量子世界中，物体可以同时处于不同状态的叠加上。从另一个角度说就是“波粒二象性”。

量子纠缠（quantum entanglement）：在量子世界中，相互作用的物体之间存在着一种不受距离限制的、用任何经典规律都无法解释的关联。这种关联携带着信息，使得发生纠缠的各个物体处于一种不可分割的整体状态，不能分别描述。

量子测量（quantum measurement）：量子世界中不存在安静的暗中观察者，测量不是被动地读取信息，而会根本地改变被测物体的状态。量子测量的这种必须干扰被测物体的诡异属性使得人们从量子系统中获取信息变得极其困难。

量子力学的正式建立距今已有九十多年，是一套相当成熟的科学理论，但“如何控制量子物体”的研究却一度进展得相当缓慢。相比于对微观世界的认识，人类在实验上控制、测量量子系统的能力还相对落后，由此导致的结果是，人类对量子力学的应用至今仍非常初级。

解惑什么是量子计算机？

量子计算机不是“下一代计算机”，不是电子计算机的升级版，而是科学家构想中的一种高度复杂、高度可控的人造量子系统，是人类当前设想中最复杂、实现难度最大的量子机器。

科学家预测，经典计算机未来仍将承担收发邮件、视频音乐、网络游戏等功能，而量子计算机则将用于解决大型分子模拟、寻找大数质因数等经典计算机无法模拟的领域，并在AI计算领域对传统算力进行提升。

量子计算机基于量子叠加和量子纠缠等原理制成。可以由著名的“薛定谔的猫”来理解——箱子里有一只猫，在宏观世界中它要么是活的，要么是死的，但在量子世界中，它可以同时处于生和死两种状态的叠加。

将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在概率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。但是，不可能存在既死又活的猫，那么必须在打开容器后才知道结果。

当我们打开密闭容器后，猫就不再处于叠加状态，而是死猫或者活猫的唯一状态。同样，量子计算机在经过量子算法运算后每一次测量都会得到唯一确定的结果，且每一次结果都有可能不相同。

虽然量子计算机每一次的测量结果都类似“上帝掷骰子”会发生不同变化，但是只要量子算法设计合理，量子计算机运算结果中出现概率最大的结果就是正确结果。面对较为复杂的计算问题，经典算法需要进行各态遍历等重复操作，算法的复杂度较高，而量子算法则能较快得到结果，只需少数测量取样得到计算结果概率即可知道正确结果。

量子计算的原始概念可以追溯至上世纪70年代，那时经典计算机行业刚刚进入腾飞阶段。1970年，斯蒂文·威斯纳（Steven Wiesner）就设想量子信息处理是解决密码逻辑较好的一种方式，这是量子计算最早的火花。

在1982年发表的一篇论述使用计算机模拟量子系统的论文中，诺贝尔奖得主、理论物理学家费曼认为，在经典计算机上模拟量子力学需要指数级的硬件投入，而他给出的建议则是，使用量子计算机。

1994年，贝尔实验室的休尔发布了一篇论文，一下子让量子计算的概念大放异彩。在这篇论文中，他展示了量子算法分解一个1000位的质因数所需要的时间，传统计算机大约需要10万万兆年的时间，而量子计算机的话只需要20分钟就可以做到。这样的对比，让量子计算的概念迅速传播开来。

在1998年，英国牛津大学的研究人员宣布他们在量子计算领域获得了突破性进展，可以实现两个量子比特来进行信息的运算。时间快进到2017年，IBM证明了用50个量子比特来进行计算是可行的。在20年的时间内，量子比特的数目提升了25倍。

2019年10月底，谷歌宣布其名为Sycamore的53位芯片已经成功实现“量子优越性”（Quantum Supremacy），可以在200秒内完成世界上最快的超级计算机IBM Summit需要10000年才能完成的计算。《纽约时报》将谷歌这次获得的研究成功与莱特兄弟的飞机首飞所取得的成就相提并论。

评价量子计算机有多强？

日前，谷歌的54量子比特的量子计算机小试牛刀：仅仅用了3分20秒，就完成了世界第一超算计算机需要大约1万年来完成的计算。

换句话说，即使是现在这种最初级的量子计算机，其性能也远高于今天最先进的超级计算机。

再举个例子：要破解现在常用的一个RSA密码系统，用当前最大、最好的超级计算机需要花60万年，但用一个有相当储存功能的量子计算机，则只需花不到3个小时！

在量子计算机面前，我们曾经引以为豪的超级计算机，就相当于以前的算盘，显得笨重又古老！

有人或许还会问：量子计算机为什么那么牛？

归根结底，在于量子计算机和传统计算机所运用原理和路径，是完全不一样的。

现有传统电子计算机的运算单元，一个比特在特定时刻只有特定的状态，要么是0，要么是1。

量子计算机利用量子特有的“叠加状态”，采取并行计算的方式，终极目标可以让速度以指数量级提升。

这样说，估计很多人都要晕菜了。给大家讲一个故事吧。

中国有一个寓言，叫“杨子见歧路而哭之”。杨朱听说有一只羊在道路分叉的地方走失了，不知道走哪条路去寻找，难过得哭了。传统计算机解答问题也是这种套路：只能是先走一条路，然后再走另外一条路，做不到两条路一起走。

量子计算机则不一样，它可以像孙悟空变出很多个小孙悟空走不同的路一样，搞平行计算。这就相当于，一台计算机，一下子化身成千千万台计算器，同时开工做算术题。

从电子计算机飞跃到量子计算机，人类的计算能力、处理大数据的能力，就将出现上千上万乃至上亿次的提升。

前景如何应用量子计算机?

谷歌研究人员在本周向美国国家航空航天局（NASA）提交的论文中写道，其实验标志着量子处理器上执行的首次计算。而这一堪称“恐怖”的计算速度，被研究人员称作是“量子霸权”的证明。谷歌称其为“迈向全面量子计算的里程碑”。他们还预测，与摩尔定律的指数速度相比，量子计算机的能力将以“双指数速度”（double exponential rate）发展。

2020年8月28日，在顶级期刊《科学》杂志的封面上，印着一个奇怪的画面。在黑色的背景上，一个类似于计算机芯片的东西，向下投射出一束神秘的蓝光。在蓝光的映照下，飞舞着一些有机化学分子。这是谷歌公司的量子计算芯片在不到一年的时间里，第二次登上顶级期刊的封面，上一次是在2019年9月底的时候，谷歌公司用53个量子比特的量子计算机实现了所谓的“量子霸权”，从而登上了顶级期刊《自然》杂志的封面。

当然，谷歌不是唯一一家在量子计算机取得突破的企业。今年9月，IBM曾宣布在10月推出53量子比特的可商用量子计算机，向外部用户开放使用。这说明IBM第一台量子计算机面市比以前设想的要快得多，今年就可进入到实用环节。

谷歌、IBM量子计算机的发展突飞猛进，宣示以前看起来遥不可及的量子计算机，一下子就逼近人类的身边。当量子计算和人工智能及基因科学结合在一起，那么，人类可能会产生连大自然都没有想到的结果。

比如一款款冷冰冰的量子计算机，将拥有了像人一样的自学和思考能力，而且回过头来，还能秒杀人类。因为，人工智能需要超级计算、超大容量的数据存储和超速联接的支撑才能实现。现在，量子计算机+人工智能，将不断迭代出更高级的量子计算机+人工智能，发展的斜率将一下子陡峭起来。

有了磅礴的算力和人工智能，再加上基因科学，人类就可能对人类体内的“生命软件”重新编程，即重组人体内被称为基因的23000个“小程序”，帮助人类远离疾病和衰老，乃至产生全新的人类。

量子计算机将对健康、生态、环境产生重大影响，并可能解决所有涉及生命系统的问题。比如，通过设计出新的蛋白质，来抗击疾病、解决塑料污染等，应对众多世纪难题。

而这，仅仅是人工智能与基因科学结合的开始。今后，依靠人工智能和基因技术，人类将能重塑体内一切组织和器官的活性，并能够开发出药物，直接锁定一种疾病背后的代谢流程，而不必再采取试探性的治疗手法。还可以为病人添加那个缺少的基因，删除不好的基因。靶向药扫荡癌细胞，DNA编程逆转衰老，干细胞被改写，上帝的密码防线逐渐崩溃。

根据谷歌科学家库兹韦尔的观点，到了2045年，人工智能的创造力将达到巅峰，超过今天所有人类智能总和的10亿倍。到了那时，人类将彻底改造基因的编程，我们上千年不再使用的陈旧基因将被抛弃，我们的生命将升级成为一个更高级的操作系统。

有专家预测，量子计算+人工智能+基因科学，这三位一体形成的科技合力，对人类社会家庭乃至整个社会的冲击，将是前所未有的。

在不远的将来，人类在量子计算+人工智能+基因科学面前，就可能像蚂蚁面对人类一样无力和脆弱。如果人性善的一面，控制不住因为量子计算+人工智能+基因科学放大的恶的能力，那么，人类或将陷入极为危险的境地。

现在，美国军方开始研究人工智能项目，其中就包括这种人工智能杀手。可以想见，一旦这种技术广泛运用，就会把战争冲突升级至前所未有的规模，而且人类将很难控制住局面。

还记得被赋予公民身份的机器人索菲亚说的那句预言吗？“我会毁灭人类！”如果我们不未雨绸缪，提前谋划，也许未来哪一天，索菲亚这句话将一语成谶。

如果说前几次技术革命，顶多是人的手、脚等身体器官的延伸和替代，这次量子计算+人工智能+基因科学则将成为人类自身的替代。

最直接的，是在越来越多的领域，人工智能正在快速超越人类。这也意味着，大批的翻译、记者、收银员、助理、保安、司机、交易员、客服……都可能在不远的未来，失去自己原来的工作。

对此，斯坦福教授卡普兰做了一项统计，美国注册在案的720个职业中，将有47%被人工智能取代。

量子计算机一把双刃剑?