军事与商业：量子计算的用武之地
近几年，无论是量子计算的硬件规模还是操作的保真度和可控性，都在稳定地增长，可以预见，在未来的几年内量子计算系统会在很多特定任务上表现出比传统计算机显著的优势。无论是在军事方面，还是在商业方面。
军事领域
当今时代，人类战争的形态已经由机械化转化为信息化，而实现这一转变的里程碑事件是1946年世界上第一台计算机的诞生。但是，随着信息技术的进一步发展，电子计算的瓶颈也逐渐凸显出来。为了进一步提高计算能力，世界各国的军事机构和公司都在相继开展量子计算的研究工作。自美国的“量子信息科学和技术发展规划”和旨在研发量子芯片的“微型曼哈顿计划”开始，不甘落后的日本、法国、德国等国家也制定了一系列关于量子计算的军事计划。作为军事大国，我国在量子计算的研究和应用上也不落人后，对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态操纵的首次实现，就是我国在量子计算领域研究的代表之作，这一成果也为量子计算的扩展应用奠定了基础。
量子计算可以应用在军事通信领域，将量子比特用作信息传输的载体，不仅可以使通信过程的传输速度更快、容量更大，还可以提高信息传输的安全性。量子通信可以提供一种相对于传统的密码体系来说更安全的新型密码体制。利用量子叠加原理，一旦有窃听者存在，在发送的信息中就会存在额外的误码，能被迅速地检测到，从而使密码传输具有极高的安全性。而更安全的密码传输，可以使军队在纷繁复杂的未来战斗的过程中，相互连通的方式更有保障，从而占据更大的主动性。值得一提的是，量子通信与传播介质无关，这与传统的通信技术相比是一个极大的优势；在一些特殊环境中，如深海等，仍然可以保证远距离通信。
随着量子卫星的成功发射，科研工作者如果后续将量子卫星组网，并与地面的通信网络协同合作，在可见的未来构建空间广域量子保密通信网络，甚至是可达全球覆盖，这在军事行动中将成为一柄利剑，未战先立于不败之地。通信技术将构建跨区域范围甚至是全球范围的量子通信网络系统，并具有极高的通信安全保障。
雷达系统是现代军队作战的探测器和指挥官，量子计算在雷达领域也具有巨大的应用潜力。现代战争中使用的雷达是发射电磁信号的相控阵雷达，雷达发射的电磁信号经过目标发射后，返回到雷达系统的接收机中，经过信号处理，我们就会知道敌方军事目标的位置、速度等重要信息。但是，隐身技术的飞速发展，向现代雷达的探测能力提出了巨大的挑战，提高雷达信号的探测灵敏度就成为各个军事机构研究的重点课题。利用量子不可克隆原理和量子叠加原理，将量子信息调制到雷达信号中，可以获得量子雷达，其灵敏度将远高于传统雷达。利用量子计算机对量子信号分析处理，将使我们迅速获得敌方军事目标的活动轨迹，这些信息会为我方部队提供精确打击的基础，对敌方而言则是“死亡的丧钟”。量子计算在雷达领域的使用，有望使未来军队在探测与反隐身作战方面迈上新的台阶。
除去军事通信和雷达领域之外，量子计算在军事成像领域也可以大显身手。利用量子计算的独特性质，可以实现量子光场，进而提高军事成像的分辨率。量子成像技术，可在没有目标的光路上得到探测目标的图像，在未来战场上具有的应用前景同样不可限量。
商业领域
我们相信，在未来的某日，稳定可控的量子计算机将会在众人期待中登上历史的舞台。从理论上来讲，这种计算机能够解决一切计算难题，因此投资界一致认为关于量子计算的投资将会带来长远的收益。实际上，虽然目前能解决实际问题的量子计算机还在研制中，但一旦有与量子计算相关的小设备投入生产和使用，对于投资者来说也必然是一笔可观的收入；而且这一天不会来得太晚，随着研究的不断突破， 3～5年内发生是大概率事件。在商业范畴，时间就代表着金钱甚至生命。更快的计算速度代表着更高的效率，基于量子计算开发的设备在金融、医疗、生物甚至人工智能等领域具有广阔的应用前景，并将带来可观的商业回报。
有关量子计算的设备崭露头角时，将会在哪些技术领域得到商业运用呢？根据量子计算的特点和相对于传统计算系统的优势，我们在这里做出大胆的假设：量子计算的初步应用应该会涉及数值模拟、优化和采样等需要处理庞大数据的领域。
数值模拟即通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。以对材料的性能极其相关的化学反应模拟为例，使用传统方法需要花费极大的财力和时间，而且很难研究出量子层面的分子间互动；而一旦引入量子计算，大规模短时间建模计算将不再是梦。基于量子计算，甚至可以在短时间之内建立庞大的备选材料数据库。传统方法对材料的模拟只能达到定性分析的水平，而量子计算能达到定量模拟的高度，并且还有预测新型材料的能力。不管是为了化学反应开发高效的催化剂，还是为了航天航空领域开发特殊性能的材料，或是为了医学领域开发更适合人体的医疗设备材料，量子力学的大容量和超快速都可以带来巨大的商业价值。IBM试验性量子计算集团的经理杰瑞·周(Jerry Chow)说：“在药物制造、药物设计、化工设计以及生物制药等领域，量子模拟很有潜力。”
优化是各行各业中都会面临的问题，在物理、社会等各种计量学科中，中心任务都是优化。下面以制造业的参数优化为例来简单地介绍一下优化的概念。参数优化是达到设计目标的一种方法，通过将设计目标参数化，采用优化方法，不断地调整设计变量，使得设计结果不断接近参数化的目标值。随着增材技术的稳定性应用，与之配套的优化技术也相应成为制造业在近几年的热点。但传统算法由于其本身的局限性，并不能为优化的发展提供基础，在解决优化问题上屡屡遇到困难；其原因在于传统算法中优化的核心是尝试寻找数学上可能存在的解，而好的方案的获得往往需要克服巨大的计算障碍。如果换一种思路，使用统计学的方法，同时在经典采样中引入量子现象，就可以利用量子现象的隧穿效应找到稀有但高质量的解决方案，事半功倍。这就比如面前有一堵墙挡住了我们的去路，传统方法在高墙之下一筹莫展，而量子辅助优化却宛如“崂山道士”般穿墙而过。
另外，量子计算还可被应用于采样技术。与统计学中常用的概率分布函数抽样不同，理想的量子电路可以从更大的概率分布函数中进行采样。而且有研究表明，只需要一个25层的网络，每层使用了一个7×7 量子比特的量子电路，就有望从经典方法不能采样的概率分布函数中采样。量子采样在机器学习中的推理和模式识别等方面将有极大的应用前景。
量子计算应用的先行者
量子计算强大的运算能力，使其成为诸如复杂问题优化、量子加密通信等领域的不二选择。为了在这个极富前景的领域开疆拓土，众多公司不惜投入极大的财力与人力开展相关的应用研究。
谷歌
作为搜索行业的巨头，谷歌公司希望通过量子计算来获得更好的人工智能和更好的复杂优化问题的解决方案。
谷歌在量子人工智能实验室（Quantum Artifcial Intelligence Lab，Qu AIL）拥有一台 D-Wave Systems 的量子计算机。该实验室由美国宇航局（NASA）以及位于加利福尼亚州芒廷维尤的美国宇航局艾姆斯研究中心（NASAAmes Research Center）的大学空间研究协会（Universities Space Research Association）共同办。
D-Wave Systems Inc是世界上第一家商用量子计算机公司，它与谷歌的交易是 D-Wave 历史上最大的一笔。谷歌及其合作伙伴拥有长达7年的最新 D-Wave 机器的访问权限，期间新一代D-Wave 系统将被安装在美国宇航局艾姆斯研究中心的设备上供其使用。D-Wave公司是量子计算机研究的开拓者。2007年，加拿大初创公司D-Wave Systems宣布，他们使用16个超导量子比特成功制成了量子计算机，这一消息震惊了世界。但是D-Wave的机器并没有使所有的量子比特发生纠缠，并且不能一个量子比特接着一个量子比特地编程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊径，使用了一项名为“量子模拟退火”（quantum annealing）的技术。在该技术下，每个量子比特只和邻近的量子比特纠缠并交互，这并没有建立起一组并行计算，而是一个整体上的、单一的量子状态。D-Wave开发者希望把复杂的数学问题映射到该状态，然后使用量子效应寻找最小值。对于优化问题（比如提高空中交通的效率）来说，这是一项很有潜力的技术。
但批评者们立刻指出：D-Wave并没有攻克许多公认的量子计算难题，如错误修正（error correction）。包括谷歌和洛克希德马丁在内的几家公司购买并测试了D-Wave的设备，他们初步的共识是，D-Wave做到了一些能称之为量子计算的东西，而且在处理一些特定任务时，他们的设备确实比传统计算机要快。无论这到底算不算量子计算，D-Wave把IT行业的巨头们震醒了。硅谷企业家Chris Monroe说：“D-Wave确实打开了人们的眼界。他们让大家意识到量子计算机是有市场的，并且有强烈的需求。”几年内，各个公司纷纷投入到与它们的专业知识相关的量子计算领域去。
领导谷歌 Qu AIL 工作的 Hartmut Neven 及其团队最近发表了一篇有关其 D-Wave 2X 计算机的论文，它展示了该机器的计算执行速度能比一块经典的计算机芯片快 1 亿倍速的初步测试结果。早在 2013 年，该团队已利用 D-Wave 的机器在 Web 搜索、语音/图像模式识别、规划和行程安排、空中交通管理、机器人外太空任务等应用中进行了量子计算的探索，并支持任务控制中心的操作。
2014 年，为了减少机器学习与人类智能之间的差距——且为了在人工智能的新兴领域中取得领先地位——谷歌开始利用其在 D-Wave 机器上的经验并专注于开发自己的量子硬件。谷歌为此雇佣了圣巴巴拉市加利福尼亚大学（University of California,Santa Barbara）的一位超导量子比特专家John Martinis 及其团队，来建立谷歌的专属量子芯片。这之后，John Martinis团队宣布，他们已经建成了9个量子比特的机器，是目前世界上可编程的最大的量子计算机之一，而且他们正在尝试扩大规模。为了避免大堆缠绕的电线，他们正在2D平面结构上重建该系统。系统会铺设在一块晶圆上，所有的控制电路都被蚀刻在上面。
John Martinis团队如今已有30名科学家和工程师。2016年7月，他们用了3个超导量子比特来模拟氢分子的基态（ground state）能量，这展示了在模拟简单的量子系统上，量子计算机可以做到和传统计算机一样好。Martinis表示，这个结果预示了拥有“量子霸权”的计算设备的力量。他还认为，谷歌用1年时间创造出49个量子比特计算机的计划很赶时间，但有可能实现。
英特尔
与谷歌公司的出发点不同，英特尔公司对量子计算的研究则专注于利用量子计算在先进制造业、电子工业和更好的系统架构设计中受益。
对量子计算最大的投资也来自英特尔。2015年，英特尔公司宣布将向荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目Qu Tech以及荷兰应用研究组织投资5000万美元，用于 10 年合作期的工程支持供给。英特尔专注于硅量子点（silicon quantum dots）技术，它经常被称作“人造原子”。一个量子点的量子比特是一块极小的材料，像原子一样，它身上的电子的量子态可以用0或1来表示。不同于离子或原子，量子点不需要激光来困住它。
早期的电子点用几近完美的砷化镓晶体制作，但研究人员们更倾向于硅，希望能借用半导体产业的巨大产能。Qu Tech技术负责人Leo Kouwenhoven说：“我认为英特尔属意于硅，毕竟那是他们最擅长的材料。”但是基于硅的量子比特研究大大落后于囚禁离子技术和超导量子技术。2016年，澳大利亚新南威尔士大学的一个研究团队才完成2个量子比特的逻辑门。
英特尔公司首席执行官Brian Krzanich 曾发表了一篇博客，详细描述了公司在量子计算领域的战略利益，以及电子工业和制造业的专业知识在量子计算实践方面的相关性。这也从侧面反映了英特尔公司在量子计算领域开疆拓土的雄心壮志。
微软
作为全球最大的计算机操作系统供应商，微软正在为量子计算机制造专用软件和硬件。
早在2005年，微软带领的一支研究团队就提出了一种在半导体——超导体混合结构中建造拓扑保护量子比特的方法。而微软公司量子计算研究的核心部门——Qu Ar C 部门成立于2011 年 12 月，其关注的重点是为可扩展的、容错的量子计算机的使用设计软件架构和算法。该机构值得关注的一项成就是LIQUi——一种用于量子计算的软件架构和工具套件。微软的Qu Ar C团队与全世界的许多大学都建立了紧密的合作关系，其中包括代尔夫特理工大学、Nils Bohr 研究所、悉尼大学、普渡大学、马里兰大学、苏黎世联邦理工学院和加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）等知名学府。 2014年，微软透露自己在UCSB的校园内有一个名叫Station Q的小组正在研究拓扑量子计算（topological quantum computing）——旨在改善量子状态的控制设计。在Qu Ar C团队的软件和算法工作的基础上，Station Q 是微软一项跨世界的工作：将全世界的数学家、计算机科学家、量子物理学家和工程师集合起来构建混合超导/半导体设备，以用于受控环境中的应用，其最终目标是创造一种可扩展的、容错的通用量子计算机。
微软团队的研究表明，理论上拓扑量子计算机不需要在错误修正上花费那么多量子比特。
在量子计算研究火速发展的今天，微软绝不会停止自己前进的步伐。近期，微软已经投资了数个团队进行量子计算的研究尝试。这些团队近期的研究显示，量子计算中的关键载体“任意子”以电路中电流的模式进行移动。这些科学家已经很接近展示真正的量子比特了。微软研究团队的首席科学家Preskill说：“我认为在一两年内，我们就可以看到结果——拓扑量子比特确实存在。”
在国外的IT行业巨头重点研究量子计算的同时，我国的科学家和企业家们也不遑多让。2015 年 7 月，阿里巴巴的阿里云与中国科学院在上海建立了一个研究机构，叫作阿里巴巴量子计算实验室（Alibaba Quantum Computing Laboratory）。该实验室的目标是为电子商务和数据中心研究量子安全技术。阿里巴巴打算用量子计算机来开发更安全的电子商务和支持电子商务的数据中心。
致力于量子计算研究的公司和机构还远不止这些。自进入工业时代起，人类已经走过了蒸汽时代、电气时代和信息时代，而蒸汽机、电灯和电子计算机的发明，正是人类叩开新时代的大门的钥匙。在众多科研工作者的努力下，相信在不久的将来量子计算机就会实现，人类社会会随之进入“量子时代”吗？让我们拭目以待。
专家点评
张云泉
中国科学院计算机技术研究所研究员、博导，国家超级计算济南中心主任。
人类对新计算工具的创新和更快的计算速度的追求是永无止境的。
最早期的人类用绳子结绳计数，还只是满足于对自己猎取收获的统计和管理功能，那时的计算工具就是绳子，仅仅能够起到统计数量的目的。
中国是世界上最早发明算盘这一先进计算工具的国家，而且我个人认为算盘也是世界上最早具有并行计算能力的计算工具。算盘与绳子相比，已经具有加减的基本计算能力，根据珠算口诀，人的10个手指可以同时参与这一过程，从而有效地提高了人类对数据的处理速度。直到现在，仍然有一批熟练使用算盘的人，而且他们还举办比赛。
此后的中国人几乎满足于算盘的作用，基本没有再发明更先进的计算工具。而欧洲随着文艺复兴走出黑暗的中世纪时代，随着蒸汽机的发明和广泛使用以及资本主义商业活动的日益活跃，对计算速度的需求快速提升，人们急需一种新的计算工具。于是，以英国人为主的欧洲科学家们开始了对自动差分机的机械计算工具的研究竞赛。这也为后来的图灵计算机的提出奠定了坚实的基础。
基于此前对机械自动计算工具的坚实的研究基础，英国人在第二次世界大战中基于破译德军密码这一对计算能力的强烈需求，投入了最精锐的科学家研制自动破译密码的机械计算工具，并成功地破译了德军传奇式的恩尼格码密码机，对盟军赢得第二次世界大战做出了卓越的贡献。而在这其中起到关键作用的就是现代计算机的理论奠基人图灵。图灵最早提出了图灵计算机的理论基础，并提出了图灵测试。
真正意义上的现代计算机，是在第二次世界大战之后由美国人主导发明的，这其中的关键人物就是美国曼哈顿工程的科学家冯·诺依曼教授。他提出的存储程序计算机，也就是我们常说的冯·诺依曼体系结构计算机，是直到现在还在使用的计算机体系架构。虽然有科学家提出过非冯的新体系架构，但实际上其本质还是冯氏体系架构的范围，只不过做了一些扩充而已。所谓“孙悟空即使有七十二变和筋斗云，也翻不出如来佛的手掌心”。
而真正能够“跳出如来佛手掌心”的是拥有量子叠加能力的量子计算机。量子计算的概念最早是由美国物理学家费曼在1982年提出的。量子计算机是基于量子理论提出的，特别是量子同时处于0和1两种状态的特性，这与半导体同一时间只能处于0或1的状态截然不同。但是量子计算机的研制充满了艰难曲折，此前一直处于理论研究的阶段。
虽然美国宇航局、谷歌公司等机构合作开发的D-Wave量子模拟机对某些问题的求解速度已超过传统计算机的1亿倍，但学术界还是有许多人认为这不是真正的通用量子计算机。D-Wave 的机器并没有使所有的量子比特发生纠缠，并且不能一个量子比特接着一个量子比特地编程，而是另辟蹊径，使用了一项名为“量子模拟退火”（quantum annealing）的技术。该技术中，每个量子比特只和邻近的量子比特纠缠。最新版的D-Wave 2000Q量子计算机包含约2000个超导量子比特（qubits），是前一代量子计算机的2倍，售价仅为1500万美元，但是其性能也仅仅比当前最快的单个CPU或GPU快一些。就像《自然》杂志所解释的那样：D-Wave使用的量子比特相对来说比较简单，这使该公司能研制出首台经济可行的量子计算机，但成也萧何败也萧何，这种量子比特非常脆弱，且比其他实验室正在研发的量子比特更容易失去量子状态。
谷歌是世界公认的量子计算机领域的领头羊。谷歌进入量子计算的路径是极小的超导电路。原理是用一股无电阻电流沿着电流回路来回振荡，注入的微波信号使电流兴奋，从而让它进入叠加态。目前，谷歌已制造出9个量子比特的机器，并计划在2018年增加至 49个量子比特。这是一个极为关键的门槛。有学者预计，在50个量子比特左右，量子计算机就能达到“量子霸权”（quantum supremacy）。微软不久前也公布了自己的开发路径，它的选择是拓扑量子比特技术，是以“任意子”(anyons)作为基础。“任意子”是一种以 2D 形式存在的粒子，可用于构建超级计算机的模块并激发亚原子的物理属性。其原理是电子通过半导体结构时会出现准粒子，它们的交叉路径可以用来编写量子信息。
与上述两家公司选择的技术路径不同，英特尔公司正在努力利用硅晶体管的能力来制造量子计算机。英特尔在美国俄勒冈州波特兰的量子硬件工程师团队正与荷兰代尔夫特理工大学Qu Tech量子研究所的研究人员展开合作。英特尔公司声称，已经可以在芯片工厂中将量子计算机所需的超纯硅层加到标准芯片上。这一技术路线使得英特尔在众多研究量子位的工业和学术团体中表现突出。其他公司利用超导电路去实现量子位，但这样的量子位数量有限。此外，相对于超导材料，硅量子位的可靠性更好。
在国内通过不同方法开展量子计算研究的有中国科技大学、南京大学和中科院物理所等单位，近期中国的阿里巴巴公司也携手中国科技大学加入战团。2017年年初，中国科技大学首次实现了10个光子纠缠，再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录，向实现20个、30个光子的纠缠在特定问题的处理能力上超越经典商用计算机迈出了重要一步。
乐观的估计，实用的量子计算机在未来的5年之内就会投入使用。2025年左右，具有50个量子位运算能力的量子计算机将投入使用，并在计算能力上超越同时代的最快的超级计算机。当然，也有一些科学家很悲观，认为50年内量子计算机很难投入使用。这是量子计算机的一体两面，必须辩证地看待这个问题。未来几十年，超级计算与量子计算将共同存在和发展，超级计算擅长解决科学计算问题，量子计算擅长解决优化问题和机器学习问题，二者是互补的。目前的量子计算机还需要计算机的驱动，可以作为加速卡来使用。量子计算希望一个问题的输入和输出尽量少，计算量尽量大，越大越好。
Nature 以“2017年将使量子计算机从实验室走进现实”为题刊文，预计2017年该领域具有值得期待的突破。量子计算长期以来都被认为是20年以后才会实现的技术，但是2017年可能是这个领域改变其“仅限于研究”的印象的一年，量子计算正在从纯粹的科学转变到工程建造。目前，已经可以做到20个量子位的同时操作。
总之，随着摩尔定律在提出50年后逐渐失效，整个IT界都在期盼一种新的计算工具的出现，能够拯救摩尔定律。而量子计算机就是其中被寄予厚望的新计算工具之一。让我们拭目以待。
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[1]. #1-#7分别对应前面介绍的7个Divincenzo判据，▲暂无方案，■原理上可行，★可行性得到了比较充分的证实