量子计算会“带来革命性改变”吗？

编者按：在理论物理学家Richard Feynman提出量子计算概念的50多年后，量子理论正一步步走进现实。量子计算可以让机器的计算速度呈指数级增加，进而让解决存在超大数据、无限变量的问题成为可能。量子计算和经典计算的不同在哪里？它会成为改变未来的革命性技术吗？本文转载自《商学院》。

“假设你有一台量子计算机，你用它来做的第一件事情是什么？我老板Michael Freedman（微软研究院StationQ负责人）的回答是，用它来造一台更好的量子计算机。”微软研究院Station Q首席研究员王正汉这样讲述着以他为代表做量子计算研究的科学家们的想法，“人类科技的进步，是对人类能力的一种延伸。量子计算机的用处就是使人们真正了解什么是量子世界。”

微软前首席研究与战略官Craig Mundie认为，量子计算将给万物带来革命性的改变。量子计算有很多实用的好处，因为它能让科学家在几分钟、几小时内，完成目前最先进的经典计算机用几十亿年才能完成的计算，而这意味着人们可以解答很多之前无解的科学难题。研究人员表示，量子计算最终将被用来解决全球社会面临的从饥饿、气候变化到众多疾病等最棘手的问题。

在理论物理学家Richard Feynman提出量子计算概念的50多年后，量子理论正一步步走进现实。

王正汉所在的Station Q团队是微软研究量子计算的特别“小分队”，2005年成立。尽管此前微软很少透露他们在量子计算领域的进展，但其实“量子计算目前的状况令人惊讶。至少在我们微软研究院，这是最大的投资领域。”这是微软全球资深副总裁Peter Lee在一次接受媒体采访时的表述。随着“量子计算”逐渐成为巨头公司的“军备竞赛”，诸如微软、IBM、谷歌等公司也开始高调加码和展现各自在量子计算方面的“技术肌肉”，毕竟谁也不想被落下。

那么，我们为什么需要量子计算？它会成为革命性的改变未来的技术吗？

量子计算和经典计算的不同

量子计算的计算单元虽然也是比特，但是与经典计算中的比特不同，量子比特（Qubit）可以处于0和1两种状态按照任意比例叠加，而且按照量子系统的可叠加性，多个量子比特可以并行处理运算。这样，量子计算可以执行更加复杂的计算。微软亚洲研究院资深研究员陈卫介绍，量子计算主要是基于量子物理，在一些方面与普通的经典物理很不一样，量子计算机跟经典计算机也有一些本质方面的不同。

量子有一个“叠加态”，它可以把很多你要计算的事情叠加在一起算。量子计算是一种指数级的加倍，现有的计算机就是并行到10000台，它的加速也只是10000倍，都无法超越量子并行计算的速度。

这就使得量子计算的速度远超现有的经典计算。“原来传统计算机，最快的计算机要算百万年、千万年的东西，可能到量子计算机几秒钟、几分钟就能算完。也因此，它带来的改变可能会是革命性的。”陈卫说。

简单说来，量子计算时代，计算的速度要超越现在的想象。这就让量子计算运用到解决数据量超大、充满无限变量、需要非常多的潜在解决方案的行业问题中成了可能。

为什么需要量子计算

从基因测算到无人驾驶，再到宇宙探索，人类的活动带来了海量的数据，其中有些数据的处理已经远远超过了经典计算机的能力，未来，在挖掘大数据潜在价值的过程中，量子计算将扮演重要角色。

微软认为，拓扑量子计算机最早的用途之一就是帮助人工智能研究人员利用机器学习，加快训练算法的劳动密集型流程。比如，把Cortana数字助理算法训练的时间从一个月缩短到一天，这将是人工智能发展的重大进步。这也只有量子计算能够实现。

王正汉谈到，现在的AI、云计算最终挑战的还是能量。如今全世界的数据中心每年要用到的电，不比一个国家消耗的少，未来如果需要大量的数据存储，用的电量也是不可估计的。量子存储则是一个方向，至少理论上它是未来一个很重要的方向，可以降低能源消耗、降低存储成本。

量子计算未来主要会应用在复杂的大规模数据处理与计算难题，比如，环境监测领域的气象预报；医学领域的基因测序与药物研发；金融领域的投资大数据分析、预测与风险建模等。

“量子计算机将会是革命性的，这是毫无疑问的，但也不是万能的。你可以想象，我们有汽车，但是我们也有火箭，你说是汽车重要还是火箭重要，这很难说。经典计算可能就像汽车那样没那么快，但是它的应用还是很广泛的；量子计算将来谁也不知道有多广泛，至少我们现在能看到绝对是很快的。”王正汉坦言。

巨头企业的军备赛

当然，眼前的挑战是，目前世界上并没有一台真正意义上的量子计算机出现。这受限于量子本身的不可控性，以及做成量子计算机材料的特殊性。同时，人才的挑战也摆在眼前，现在并不是每个学校的计算机系都设量子计算专业，斯坦福、MIT这样的学校也将这一专业主要设在和物理相关的院系。

据王正汉介绍，多年来物理学家一直在谈论开发量子计算机的可能性，努力开发一个拥有足够高精确度的有效量子位，以便在开发真正可行的量子计算机中发挥作用。问题在于，量子位非常挑剔。即便是最轻微的扰乱，它们也会“散开”，通俗说来，就是它们不再是可用于计算的物理状态。

但这并不妨碍巨头企业在量子计算领域的军备竞赛。于是，我们看到，IBM以及一些初创公司已开发并测试了少量量子计算机的基础构件；谷歌与美国航空航天局及D-Wave公司合资建立了“AI Lab”实验室；微软则在今年9月举办的Ignite大会上，展示了拓扑量子位以及硬件软件生态系统方面取得的进展，其中，最重要的就是开发了一套专为量子计算开发者设计的新的编程语言，能够开发应用软件，这些技术让更多开发者可以充分利用量子计算的力量。

“各家的路径有所不同。”陈卫说，“微软希望能构建一个量子计算的生态和完整的计算平台基础设施，做从端到端的技术，比如包括新材料、用于拓扑量子计算的构建块、软件和编程语言等等。”

不过，现在去评判谁家能胜出并引领，也为时过早。但可以想象，过不了太久，这些已经展开“军备竞赛”的企业，就该展开抢人大战了。

“望远镜的发明让我们可以看得更远，显微镜的发明让我们可以看得更小。科技进步是我们人类能力的延伸。相信量子计算和量子计算机也一样，会让我们看到量子世界。”王正汉说，“也许未来的人们接触量子计算机就像如今接触AR一样容易。”

未来会怎样无人知晓。科学家常说，第一个晶体管刚被发明时，它的创造者们根本无法想象智能手机会由此而生。

或者，这就是科技最有魅力的所在，难以预测，却又引人入胜。最终带来改变世界的能量。