量子計算是什么？它將在各行業扮演怎樣的角色？它又將在多大程度上改變我們的世界？騰云智庫中的科幻大師吳巖正在寫一個劇本，看完這篇文章直說找到了一個點子。大家看懂量子計算了嗎？又開了什么腦洞？歡迎在留言中分享。

葛凌

作者葛凌，牛津大學量子物理博士，騰訊公司歐洲首席代表，曾在英國倫敦帝國理工大學任職，擔任英國皇家科學院Leverhulme研究員和博士生導師、全英化學計算模擬中心主任、校長助理等。期間曾兼任英國政府和倫敦市長辦公室在創業社區、智慧城市和數字戰略等領域顧問，并為英國《金融時報》、《Wired》等撰寫專欄。

從基因定位到太空探索，人類活動帶來了越來越多的數據。這些海量數據的處理已經遠遠超過了經典計算機的能力范圍。基于這種情況，在挖掘大數據潛在價值的過程中，量子計算將扮演重要角色。

發展量子計算技術的主要挑戰在于需要通過發展高精度、高效率的量子態制備與相互作用控制技術，實現規模化量子比特的相干操縱。不過因為量子計算對物理系統性質的要求常常互相矛盾，所以建造有規模的、有實際應用價值的量子計算機還存在巨大的技術困難。而且與傳統計算相比，錯誤對于量子計算的影響更大，所以對于量子計算機來說很重要的一點是要解決容錯性 (Fault-tolerant)。

2017 年 5 月中國科學院首次實現 10 個超導量子比特的糾纏，同期 IBM 實現了 17 個超導量子比特的糾纏。未來兩到三年內有望擴大到 50 個量子比特，達到所謂的“量子優越性”(Quantum Supremacy)。屆時在某些問題上，量子計算機的計算能力將超過目前最強大的經典并行計算機。但要達到真正的商業應用，量子比特需要達到百萬級，這是一個非常大的門檻。當規模如此龐大時，量子計算機就可以克服錯誤問題。 

即使是最樂觀的科學家也認為，量子計算機不會完全取代現在的電腦。對于許多問題，使用量子計算機并沒有太大的優勢，比如說沒有必要使用量子計算機去做文字處理，查郵件或者玩手機游戲。

量子計算未來主要會應用在復雜的大規模數據處理與計算難題，以及基于量子加密的網絡安全服務，例如：環境監測領域的氣象預報，醫學領域的基因測序與藥物研發，金融領域的投資大數據分析、預測與風險建模、網絡安全與即時通訊領域的量子加密，以及為人工智能提供強大的計算能力等。

加速機器學習與人工智能

與人類一樣，量子計算機也可以從經驗中學習，進行自我糾錯。這一概念被稱為量子計算機的機器學習——與Facebook 新聞流根據用戶的“點贊”而進行個性化的推送相類似，只是更為復雜。

量子計算機的機器學習可以幫助我們更快、更高效地做很多事情，具體應用場景包括人臉識別、圖像理解、音頻語音理解、用戶畫像、機器人和自動駕駛車的圖像識別及決策等。對于數據越多的問題，節省的時間就越多。例如，我們發現經典計算機并不擅長從海量圖片中迅速完成 “孫悟空在哪兒” 的識別任務，但量子計算機卻非常擅長從混亂的背景中找出具體人物或者細節。

構筑信息安全

現有加密系統受到量子計算機威脅，但是通過量子力學特性的加密技術將變得更加安全。這種超級安全通信被稱為“量子密鑰分配”。它允許某人發送信息給其他人，而只有使用量子密鑰解密后才能閱讀信息。如果被第三方攔截，鑒于量子力學的原理，信息會變得毫無用處，也沒人能夠再讀取它。

后量子密碼學致力于創建出即使是未來的量子計算機也無法破解的密碼。PQCRYPTO 是一個受歐盟資助為期三年的項目，專注于開發后量子加密。2016 年，該項目的一些研究成果已經被 Google 用在了 Chrome 瀏覽器運行的后量子加密測試中。而在斯諾登事件后，美國國家安全局于 2015 年表示將更新其所有的加密技術，使它們無法被量子計算機破解。

挑選最優化解決方案

許多證據表明量子計算機比經典計算機更適合進行某些需要挑選出最優化解決方案的任務，而大量的商業活動都依賴于最優化方案。例如，在開始制造汽車、飛機部件前，我們可以運用計算機模型優化汽車和飛機的設計方案。Google 在量子計算機 D-Wave 2X 上優化一個含有大量變量的函數，比在經典計算機上快一億倍。

我們可以自定義什么樣的問題需要找出最優化解決方案，比如說：產品收入最大化，點擊轉化率最大化，用戶滿意度最大化，成本耗時最小化。某些人工智能問題也可以轉化為優化問題，例如，構建預測模型，使其對未來數據的預測誤差最小。

量子計算就像是新的“引擎”，代表了新的商業形態和社會形態。蒸汽機的到來引發了第一次工業革命，燃氣機引發了第二次工業革命，計算機的誕生引發了第三次工業革命，那么量子計算機的到來，很可能會推動第四次工業革命的很多構想正在實現。量子計算機一旦投入使用，許多行業可能將會受到顛覆性的影響，目前很多看似不可能有太多突破的領域未來都會有很大的改變。

量子計算是屬于未來的技術，當下我們正處黎明時期。而量子計算和云的結合，又可以帶來巨大的前景，研究人員和科學界可借此加快量子領域的創新速度，也有利于發現量子云計算的新應用領域。所有這些應用都令人激動不已，但要實現這些目標，我們依然有很長的路要走。

關于量子計算的小知識

量子計算的神奇之處在于，它的運行是基于量子比特 (Quantum bit)，而非現代計算機中的經典比特，它利用量子力學理論中的量子疊加 (Quantum superposition)和量子糾纏 (Quantum entanglement) 效應，具有天然的“大規模并行計算”的能力。

量子比特

普通計算機一個比特 (Bit) 可以表示為 0 或者 1。而量子計算機雖然也可以使用 0和 1，但一個量子比特（Quantum bit）可以同時是 0 和 1，具有不確定性。

如果把經典比特的 0 和 1 想象為地球的南北極，在量子比特中，量子比特可以是部分北極和部分南極的疊加狀態，即無限多種組合的線性疊加態。

量子疊加

經典世界告訴我們，一個時間，比特只可能有一種狀態，過一段時間可以跑到另一種狀態，但是同一個時間只有一種狀態。

就像騰訊大廈有 39 層樓，你問某位同學在哪兒，經典世界一定說他位于 39 層中的某一層。但是如果從量子比特的角度來看，他 39 種狀態都有，你問他在哪兒，原則上說他各種可能的態都在，39 層樓他都在、而且是同時在，這就是量子世界的奇妙特性。

量子糾纏

描述了當兩個粒子互相糾纏時，即使距離遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態。當其中一個粒子被操作（例如量子測量）而狀態發生變化，另一個也會即刻發生相應的變化。

量子算法

1985年，英國牛津大學教授 Deutsch 研究了量子 Turing 機，引進了量子計算線路模型和量子通用邏輯門組，突破了經典計算 Boole 邏輯的限制，實現了到量子演化的躍進。 在那之后，科學家們開始了對量子算法的研究。

Shor 算法 是由美國 Bell 實驗室 Shor 在 1994 年提出的分解大數質因子的量子方法。互聯網時代絕大多數的加密，都由 RSA 算法完成，目前支付寶、微信支付、微眾銀行等都在采用 RSA 2K 加密算法，但隨著量子計算的發展，RSA 加密安全性受到了挑戰。

Grover 算法 是由 Grover 于 1996 年提出的平方根加速的隨機數據庫量子搜索算法。搜索算法常用于從 N 個未分類的記錄中找出某個特定的記錄。Grover 量子搜索算法可以對隨機數據庫相對經典搜索平方根加速，為了實現這樣的加速，Grover 算法主要依賴于量子態的疊加。