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继上篇《神奇的量子世界》

薛定谔的猫让我们见识了来自量子世界的神秘力量，那些看似荒诞的状态叠加，是量子理论最迷人的标签。量子是对微观世界的深入探索，图灵的“模仿游戏”（图灵测试）开启了人们对机器计算与智能的无尽思考。两者本无联系，但当量子的离奇特性不再局限于理论猜想，而是被验证并运用到计算架构中，一种远超传统计算机性能的全新载体 -- 量子计算机，就此诞生。

量子计算原理

量子计算，正是利用了量子的叠加态，相干性等种种特性。对于普通计算机而言，如果它是一个比特位，那它同一时间只能处于 0 或者 1 两种状态的其中一个。如果它是两个比特位，那它只能处于 00, 01, 10, 11 四个状态的其中一个。而对于量子计算机来说，如果它有两个量子比特，由于叠加态的存在，它可以同时处于 00, 01, 10, 11 四个状态之中，也就是可以同时用四个状态进行计算。普通计算机要算 4 次，它只要算 1 次。

这么说很抽象，举个例子：如果把比特位当做是迷宫的岔路，普通计算机像是一个人在每个岔路都依次尝试一次，每次试错都要花时间，属于串行尝试。量子计算机则像是孙悟空，可以同时变化出无数个"分身"，这些分身同时存在，可以同时进入所有岔路。只花一次的时间就能试出正确的那条路。只不过要小心，这是不能被人发现的，一旦有人观察，这些“分身”就会消失，坍塌成孙悟空本尊了（观察者效应）。

如果还觉得抽象，那我也没办法了。我自己也只能强迫自己就先理解到此。宏观的普通人确实没法想象微观世界，毕竟我们也不是大咖。按照这种不求甚解的理解，我们大概能知道量子计算机的原理以及它跟普通计算机的区别。现在很多量子计算机的量子比特数已经上千，所以理论上它算一年，普通计算机要算一千年。当然这只是理论上，量子计算机有它的三座大山，导致实际效果与理论还差了十万八千里。

第一座大山

叠加态的脆弱性：任何来自外界的微小干扰，包括温度，电磁，宇宙射线等微不足道的变化，都会让叠加态坍塌。普通计算机像是用石头盖的房子，虽然粗糙，盖起来虽然慢，但是结实。量子计算机像是用肥皂泡搭建的房子，搭起来貌似很快，但条件非常苛刻，你吹口气建筑就消失了。

第二座大山

叠加态存在时间短（相干时间）：即使环境稳定，这个状态最多也只能存在几毫秒时间，所有计算必须在这么短的时间内完成。就好像你在一张纸上写文章，而这张纸每隔一段时间就会自燃，你必须抓紧时间在纸张烧完前写完。

第三座大山

误差大。每一步量子计算操作的准确率只有 99.9% 左右，看起来也不低是不是。但如果完整计算需要 1000 步，成功率就只剩 37% 了，如果有 10000 步，就完蛋了。这有点像现在的机器人，也有同样的长程任务问题。为了纠错，需要成百上千个物理量子比特组成一个逻辑量子比特来进行计算。现在最先进的量子计算机大概有几千个物理量子比特，所以相当于几个逻辑量子比特，只能说比普通计算机快了一点点吧。

量子计算的应用场景

这是个很有意思的话题。量子计算的应用前景既被严重高估，也被严重低估 -- 高估的是"什么都能用量子计算做"，低估的是它在某些特定领域可能带来的颠覆性变革。首先它肯定不是什么都能干的，它没法取代普通计算机。大部分的日常软件系统，消费电子，图像处理等能力，量子计算机其实都没法实现。所以在日常领域不能太高估量子计算机的能力。

我们回顾下之前那个迷宫的比喻：量子计算机就好像生成了无数个分身，一次就能把迷宫的每一条路都尝试一遍。所以它适合的领域，一定要像迷宫一样，分叉路越多越好。说到这里，我感觉有点像 GPU 了，就是能分成一小个一小个单元，越多越好，一起运算。

量子计算机最擅长解决复杂组合的问题与量子体系问题，比如以下几个领域：

• 分子模拟：模拟分子对接、蛋白质折叠，能加速生物医药学的研究和发展。模拟不同物质的化学反应机理，推动材料研发，进而间接推动类似超导等跟材料学紧密相关的领域发展。

• 密码安全：主流非对称加密算法的安全性都依赖于大数分解等数学安全。有了量子计算机，我们能大大缩短穷举的时间。恐怕现有的所有密码算法都得失效。

• 金融：市场预测，资产配置预估

• AI：模型训练推理

• 物流调度：路径规划，仓储调度

• 气候能源：根据大量气象数据模拟天气变化

• 航天军工：轨道计算，路线规划

有哪些量子计算机公司？

目前的量子计算还处在非常早期的阶段，大概只有几个逻辑比特位，属于能用，但不好用，还远不如超级计算机的性能。业界主流的判断是：未来 5 - 10 年内会发展到几十到几百个逻辑量子比特，能解决一些有商业价值的特定问题（比如某些化学和材料模拟）。而发展到能威胁现代密码学的大型量子计算机，可能还需要 10 - 20 年甚至更久。预计到 2035 年左右才能出现相对比较通用的量子计算机。

预计今年的全球市场规模大概在 180 亿美元左右，每年递增 50% 的速度向前发展。虽然还没法赚钱，但现在世界上已经有大量的量子计算公司了。这些公司要么本身就是大公司，要么靠政府拨款，投资者送钱而生存。这些公司选择的技术路线大相径庭，真是也没想到在量子计算领域居然有这么多的技术路线。那么你最看好哪条路线呢？

超导：

在接近绝对零度的温度下，用超导电路做量子比特。

代表公司：IBM，Google， $Rigetti Computing(RGTI)$

优点：速度快（纳秒级），与现有半导体工业高度兼容

缺点：因为需要超导，可想而知对环境要求极高，需要创造绝对零度。成本高。

之所以只有 IBM 和 Google 选择这条路线，我猜可能第一是它通用性最强，兼容现有计算机产业，这两家公司最熟悉。第二是成本高，这两家公司有钱。

离子阱：

用电磁场囚禁单个离子（如 Yb⁺），激光做门操作与读取

代表公司： $IONQ Inc.(IONQ)$ ， Quantinuum

优点：保真度最高，相干时间长

缺点：速度偏慢（微秒级），扩展到上千比特工程难度大

前面三座大山提到，量子计算遇到的大问题是时间短，误差大。这种技术路线似乎有这方面的优势。但它扩展难度大。所以感觉比较容易先做出成绩，但一旦未来技术有突破，它可能就会遇到瓶颈。

光量子：

以光子为量子比特，在光纤中操控，室温即可运行

代表公司：图灵量子，PsiQuantum

优点：室温即可运行，抗电磁干扰（相干时间极长），光子可直接在光纤中传输（天生适合量子互联网）

缺点：光子难相互作用（不易实现双比特门），损耗大（不易存储），容错困难

光子看起来很有个性，有很多与众不同的优势。但在量子计算需要的一些能力上又很难达标。

中性原子：

用光镊阵列捕获中性原子（如铷、铯），激光实现操控与读取

代表公司：Infleqtion， Atom

优点：比特密度极高（轻松上千），室温，低成本

缺点：操控精度要求高，保真度低

比特密度高，保真度低，一来一去似乎也没什么优势。可能最大优势是成本低吧。它的几家代表公司也没什么存在感，一番调研下来很少听到。这条路线估计不行。

量子退火：

不做通用门模型，用量子退火快速求解组合优化问题

代表公司： $D-Wave Quantum Inc.(QBTS)$

优点：比特数很大（5000+），只求优质解（不求绝对精确，所以容错压力小），天然适合组合优化类的计算（比如计算投资组合，物流路径选择）

缺点：不通用

这可能是目前唯一已实现商用的技术，所以请各位高度关注。不过这种技术完全不通用，所以发展瓶颈也很明显。感觉严格来讲它不是计算机，只是专门实现某个目的的机器。

硅自旋：

在硅半导体中用核自旋做量子比特，工艺与现有 CMOS 高度兼容

代表公司：国盾量子，Diraq

优点：适合大规模集成，成本最低，可沿用芯片厂工艺

缺点：比特数少、保真度偏低

这个缺点对于量子计算来说似乎挺致命，被大山狠狠压制。

后面我会进行针对行业和公司再做一些深入调研，选几家有代表性的量子计算机公司进行介绍，敬请关注。

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