從經典物理頭頂的兩片烏雲到量子霸權

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量子霸權

quantum supremacy

是指量子計算設備可以解決傳統計算機無法解決問題的里程碑事件

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圖片來自電影 美麗心靈

故事的開端在19世紀末，那時經典物理的發展已幾近完美。主流學者紛紛認為物理學科的大金字塔已經落成，宏觀世界萬事萬物一切都可以由很簡單的法則解釋，各領域完美自洽，物理學研究不再有任何的前途可言。正當人人都在為這一偉大時刻歡呼喝彩時，開爾文緩緩的道出了籠罩在這一看似完備理論上方的兩朵「烏雲」。就連他自己在內的物理學家們可能都沒有預料到這看似玄妙的陰霾竟會為人類開啟一扇走入微觀世界的大門。更可怕的是，他們對於世界的認知都有可能被證明是錯誤的。

實驗結果與理論不符的「紫外災難」

兩片「烏雲」是指：1.邁克爾遜-莫雷實驗失敗 2.黑體輻射中的「紫外災難」。

波動的傳播需要載體，人們對麥克斯韋的電磁場理論深信不疑，那麼自然而然的就相信電磁波的載體以太客觀存在。然而邁克爾遜以及莫雷先後兩次實驗均無法證實以太的存在，以失敗告終。另外，主流學者一致認為更高溫度的黑體輻射會產生更短波長的光，也就意味這隻要溫度高到一定程度，紫外光就會產生。實驗數據證明這也是錯的。

量子力學三大神 左愛因斯坦 中玻爾 右普朗克（如果物理教材都放他們年輕時照片，學物理的妹子也不至於這麼少）

之後幾年內，愛因斯坦發表相對論成功驅散了第一朵烏雲。普朗克提出量子假說，假定電磁場和物質能量轉換是以間斷的能量子的形式實現的，並且得出黑體輻射能量分布公式，解釋了黑體輻射現象，驅散了第二多烏雲。經典物理神壇瞬間崩塌。隨後愛因斯坦更進一步引入光量子感念解釋了光電效應，波爾建立起原子理論，量子理論雛形顯現。兩座更加巍峨壯麗的城堡建立起來，物理學由此華麗的進入量子時代。

圖片來自The Silicon Engine 晶元發展史

經過近100年的發展，尤其二戰後的黃金時期，量子力學給我們帶來了長期的繁榮。能帶理論就導致了晶體管的發明，於是有了晶元，有了電腦，智能手機，互聯網，人工智慧等我們今天離不開的技術。量子力學討論光子與物質相互作用，找到了受激輻射過程，又導致了激光被發明。但是，所有這些技術都只是應用到量子力學基本原理的經典技術，不是量子技術。

量子計算Quantum Computing卻是一種真真切切的量子技術。它處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法。在經典計算機中，一個比特的值是確定的，可能是1，也可能是0，但是在量子計算機中，一個量子比特的值在觀察之前是不確定的，這個值有可能是1，也有可能是0，還可以是1和0的疊加狀態（superposition），即同時等於0和1。考慮一個普通計算機有N個比特，它只能儲存2N個數據中的某一個。若是量子計算機，它卻可以同時儲存這2N個數據。隨著N的增加，其儲存能力將指數上升。由於數學操作可以同時對儲存器中的數據同時進行，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以對輸入的2N個數進行運算。其效果相當於經典計算機重複2N次運算。

如果想把一個2048位元的數字質因數分解的話，就連目前最快的電腦都需要幾百萬年的時間。而量子計算機在幾分鐘內就可以完成。如此強大的算力必將掀起新的科技革命，以至於各個國際巨頭爭相進入這個角斗場。

把一個合數用只有質數相乘的形式表示，就是質因數分解

長期以來，人們普遍認為量子計算應用為時尚早。直到2011年D-wave發布了第一台商用量子計算機，全世界的目光又重新聚集了起來。雖說D-waveOne是一台專用量子計算機，只適合求解一個特定的數學問題，不是一個通用機，但人們已經意識到了量子技術的爆發，紛紛投身進來。

圖片來自 D-wave

2012年諾貝爾物理學獎頒給了David Jeffrey Wineland和Serge Haroche，以表彰他們研究能夠量度和操控個體量子系統的突破性實驗方法。

2013年5月，Google和NASA在加利福尼亞的量子人工智慧實驗室發布D-Wave Two。

2013年6月，中科大潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國際上首次成功實現用量子計算求解線性方程組。

2015年5月，IBM宣布他們成功製造出了16量子比特的廣義量子計算處理器。

2015年10月，新南威爾士大學首度使用硅製作出量子閘。

2015年11月，Google、NASA和加州大學聖塔芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操控。

2017年5月，中科院宣布製造出世界首台超越早期經典電腦的光量子電腦，研發了10量子糾纏。在此基礎上，團隊利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構建了針對多光子「玻色取樣」任務的光量子計算原型機。

2017年7月，哈佛大學一個研究小組宣稱制出了51量子比特的量子模擬器。

幾天前，Google量子人工只能實驗室宣布制出了72位量子比特的處理器 Bristlecone。

圖片為 Google Bristlecone

需要注意的是，雖然量子計算可以操控的量子比特數很重要，但維持低錯誤率也同樣重要，談數量時也要談質量。相信小夥伴們都跟科技哥一樣期待看到Google隨後可以公布具體的實驗數據。

無論如何，量子計算的群雄逐鹿局面還將維持一段時間，現在預測何時實現量子霸權不太現實。不過這絕對是量子計算的黃金時代，一切的一切讓我們拭目以待。

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