撰文：宋傑
突破技術
製造出穩定的量子比特。比特是傳統計算機中的信息單位，而量子比特是量子計算機的信息單位。
重要意義
在運行人工智能程序以及處理複雜的模擬和規劃問題時，量子計算機的速度可能是傳統計算機的指數倍，而量子計算機甚至能製造出無法破解的密碼。
技術成熟期
4～5年
主要研究者
- 荷蘭量子技術研究所QuTech
- 英特爾
-微軟
-谷歌
-IBM
量子通信衛星「墨子號」的成功發射，在全世界範圍內再次掀起了一股量子信息研究的熱潮。量子信息是以量子物理學為基礎的新一代信息科學技術，它包含兩個方面：一方面是信息的傳輸，即量子通信；另一方面是信息的處理，即量子計算。量子通信屬於量子信息領域中最先實用化和產業化的方向，「墨子號」就是量子通信實用化的典範。相比之下，目前的量子計算就像一頭蹣跚學步的小獅子，要想成為真正的百獸之王，它還有很長的一段路要走。但是，千萬別輕視這個小生命，假以時日，它必將震撼世界。
神奇的「量子計算」
量子計算的潛力到底有多大？打個比方，如果把量子計算機的運算速度比作長征五號運載火箭的話，那麼今天的超級計算機的速度只能是一輛摩拜單車。
按照中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心張文卓的話說：「如果一台量子計算機的單次運算速度達到目前民用計算機 CPU 的級別，那麼一台 64 位量子計算機的速度將是目前世界上最快的『天河二號』超級計算機的545 萬億倍。」換句話說，如果按照這樣的運算速度求解一個數億變量的方程組，「天河二號」需要 100 年，而萬億次的量子計算機理論上只需要0.01秒。
為什麼量子計算機具有如此驚世駭俗的運算能力？我國科技部973項目「量子通信和量子信息技術」的首席科學家郭光燦是這樣解釋的[1]：「量子比特可以制備在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，換句話講，它可以同時存儲0和1。考慮一個N個物理比特的存儲器，若它是經典存儲器，則它只能存儲2ΛN個可能數據當中的任意一個；若它是量子存儲器，則它可以同時存儲2ΛN個數，而且隨著 N的增加，其存儲信息的能力將呈指數上升。比如，一個250個量子比特的存儲器（由250個原子構成）可能存儲的數據達2Λ250，比現有已知的宇宙中的全部原子數目還要多。
「由於數學操作可以同時對存儲器中全部的數據進行計算，因此，量子計算機在實施一次運算時可以同時對2ΛN個輸入數進行數學運算。其效果相當於經典計算機要重複實施2ΛN次操作，或者採用2ΛN個不同處理器實行並行操作。可見，量子計算機可以節省大量的運算資源（如時間、記憶單元等）。」
因此，讓世界快2n絕不是天方夜譚。但是，和所有改變人類歷史進程的重大發現一樣，量子計算的誕生之路並不平坦。從普朗克提出量子的概念至今，量子力學已經走了100多年的歷程。在這100年中，量子力學給人類的生活帶來了翻天覆地的變化，尤其是在20世紀後半葉，激光器的出現和半導體工業的突飛猛進，彰顯了量子科學的巨大威力。但即便是這樣成功的理論，圍繞它的爭論卻從來未曾間斷。對其提出質疑的人當中不乏這一領域的開創者，如薛定諤、愛因斯坦等人，而擁護量子力學的則是以玻爾和海森伯等人為代表的哥本哈根學派。他們爭論的焦點在於：量子力學描述的物理存在具有無法消除的隨機性，而這是以愛因斯坦為代表的持經典決定論觀點的物理學家所不能接受的，他們認為量子力學對物理世界的描述是不完備的，世界應該被更為基礎的理論來支配。
隨著論戰的升級，愛因斯坦等人提出了量子糾纏態的概念，進而引發了對量子力學基本原理的檢驗。雖然迄今為止，絕大多數的證據顯示了哥本哈根學派的勝利，似乎圍繞這一科學問題的爭論暫時告一段落，但是，正是由於這兩股科學洪流的不斷砥礪和求索，使人們加深了對這門科學的認識，也為後來量子信息科學的誕生奠定了基礎[2]。
20世紀微電子技術的迅速發展，大大提高了電子計算機集成電路的集成度，為現代信息化社會打下了物質基礎。1965年，Intel的創始人之一——摩爾提出了以他名字命名的摩爾定律。這個定律認為，差不多每18個月以同樣價格所能買到的計算機的計算能力就可以翻上一番。隨著集成電路集成度的日益提高，電路板蝕刻精度也將越來越高，中央處理器芯片上集成的晶體管器件就會越來越密，這將迫使電路線寬不斷狹窄，直至狹窄到不得不考慮運動在電路中電子的波動性將在電路中產生新的物理現象——量子效應（當電路線寬小於0.1微米）時，現有的芯片製造理念將不再適應。為了克服這個困難，一門新的學科——量子信息學應運而生。量子信息不僅僅是利用量子力學的物化產品（如半導體器件），而是直接以量子力學原理為基礎、充分利用量子獨特的性質，如量子疊加、量子糾纏和量子不可克隆等，探索以全新的方式進行編碼、信息傳輸和計算[3]。
量子信息是量子物理與信息科學相融合的新興交叉學科，自其誕生以來就引起了國際學術界的巨大興趣，受到西方各國的高度重視，得到迅速發展，迄今方興未艾！量子信息技術基於量子特性，如量子相干性、非局域性、糾纏性、不可克隆性等，可以實現現有信息技術無法做到的諸多信息功能，比如，量子計算機可以加速某些函數的運算速度，攻破現有的密鑰體系，量子因特網具有現有因特網所無法比擬的優點，量子密碼可提供不可破譯、不可竊聽的保密通信等。量子信息技術可以突破現有信息技術的物理極限，為信息科學的發展提供新的原理和方法， 21世紀信息科學將從經典比特跨躍到量子比特時代。量子信息技術是後摩爾時代的重要新技術，將來有望形成量子信息技術（Quantum Information Technology）新產業，因而，量子計算成為各國未來高技術的戰略競爭焦點之一。
量子計算的超強能力來源於其絕無僅有的神奇特徵。要想弄清楚量子計算為何如此強大，就必須瞭解它的3個秘密武器。
量子比特
傳統的信息技術扎根於經典物理學，一個比特在特定時刻只有特定的狀態，要麼是0，要麼是1，所有的計算都按照經典的物理學規律進行。量子信息扎根於量子物理學，一個量子比特（qubit）就是0和1的疊加態，相比一個經典比特只有0 和1 兩個值，一個量子比特的值有無限個。
量子的不可克隆定理
為什麼說量子不能被克隆呢？我們可以用反證法進行證明。如果任意量子態可以被精確克隆，那麼我們就可以這麼做：先把這個量子態精確地複製100份，然後用100種不同的測量方法來精確地得到100種不同的信息——如果100份還不夠，那麼就克隆10000份好了。通過選擇測量方法，我們就可以知道每個特定備份的相關性質，再加上精確克隆的假定，我們就可以知道任意量子態的任何信息，海森堡測不准原理也就不可能成立了——這個結論與實驗觀測事實是矛盾的。所以說，量子不可克隆原理等價於海森堡測不准原理，也等價於測量會影響量子態的這個量子力學基本假定。
量子不可克隆原理告訴我們，如果你只有一個光子，而且事先不知道它的偏振狀態，那麼你就不可能複製出兩個完全相同的光子，更別說100萬個了。這就是「墨子號」量子通信衛星的理論基礎。
量子糾纏
量子力學中最神秘的就是量子疊加態，而「量子糾纏」就是多粒子的一種量子疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處於某個物理量的疊加態，同時另一個粒子B也可以處於疊加態。當2個粒子發生糾纏時，就會形成一個雙粒子的疊加態，無論2個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處於0 態時，B 粒子一定處於1 態；反之，當A粒子處於1 態時，B粒子一定處於0態。
用薛定諤的貓做比喻，就是A和B兩隻貓如果形成上面的糾纏態：
無論兩隻貓相距多遠，即便在宇宙的兩端，當A貓是「死」的時候，B 貓必然是「活」；當A貓是「活」的時候，B貓一定是「死」（當然，真實的情況是，貓這種宏觀物體不可能把量子糾纏維持這麼長的時間，10～30 秒內就會解除糾纏。但是基本粒子是可以長時間保持糾纏的，如光子）。
傳統計算機的終結者
正是由於量子計算的獨特性質，使其具有了傳統計算機所無法企及的超強能力。量子計算可以說是傳統計算機的「終結者」，它戰勝傳統計算機的兩大致勝法寶到底是什麼呢？法寶一，是量子計算相較於傳統計算機呈指數級增長的計算能力。經典計算機中，一個經典比特只能存儲一位信息，要麼是1，要麼是0。但是在量子計算機中，這個比特可以是 0 ，也可以是 1 ，關鍵是它們同時參與了計算，而只在你觀測時才會塌縮成一個完全確定的解答。假如是 10 個經典比特，那麼相當於 10 位數據參與運算。而10個量子比特就是2Λ10，也就是1024位數據參與了運算，這是多麼巨大的差距。
法寶二，是量子計算的可逆性。正是由於量子計算具有可逆性，才使它的能耗和傳統計算機相比大幅降低。我們現在計算機的主要熱量，來源於我們對存儲器的不斷讀寫和重置。假設我們的存儲器內有 0 和 1 組成的雜亂無章的數據，現在我們全部清零，這一刻我們的存儲器顯然變得更加「有序」，即無序程度「熵」的降低，而根據熱力學定律，這些熵就以熱量的形式散發出去。因為微觀粒子的正性，量子的運算是一種完全可逆計算，信息不會丟失而得到重用，幾乎不會有熱量的散失。設想一下，未來你的筆記本電腦可以用一個紐扣電池續航一周，而且運算速度是現在計算機的數億倍，那是一件多麼美好的事情！
量子計算的兩大算法
讀到這兒，你可能會說，量子計算的特點和法寶我已經明白了，看起來完成量子計算並不難，那麼量子計算機的實現一定指日可待了吧？對不起，答案是否定的。雖然我們已經明確了量子計算的原理，但要想實現量子計算機這個終極目標，還有兩個巨大的難題擺在科學家的面前——算法和物理實現。那麼現在已經發明的量子計算的「明星算法」有哪些呢？
Shor算法
要想開拓出量子計算機巨大的並行處理能力，必須尋找適用於這種量子計算的有效算法。Shor於1994年發明了第一個量子算法，它可以有效地用來進行大數因子分解。
大數因子分解是現在廣泛用於電子銀行、網絡等領域的公開密鑰體系 RSA安全性的依據。採用現有計算機對數N（二進制長度為log N）做因子分解，其運算步驟（時間）隨輸入長度（log N）指數增長。迄今在實驗上被分解的最大數為129位，1994年在世界範圍內同時使用1600個工作站花了8個月時間才成功地完成了這個分解。若用同樣的計算功能來分解250位的數則要用80萬年，而對於1000位的數，則要用10Λ25年。
與此相反，量子計算機採用 Shor算法可以在幾分之一秒內實現1000位數的因子分解，而且操作時間僅隨輸入數的3次方增長。可見Shor量子算法將這類「難解」問題變成了「易解」問題。在量子計算機面前，現有公開密鑰RSA體系將無密可保！
Shor的開創性工作有力地刺激了量子計算機和量子密碼術的發展，成為量子信息科學發展的重要里程碑之一。
Grover算法
1997年，Grover發現了另一種很有用的量子算法，即所謂的量子搜尋算法，它適用於解決以下問題：從 N個未分類的客體中尋找出某個特定的客體。經典算法只能是一個接一個地搜尋，直到找到所要的客體為止，這種算法平均地講要尋找 N/2次，成功的概率為50%，而採用Grover的量子算法則只需要
次。比如，要從有著100萬個電話號碼的電話本中找出某個指定號碼，該電話本是以姓名為順序編排的。經典方法是一個個地找，平均要找50萬次才能以50%的概率找到所要的電話號碼。 Grover的量子算法是每查詢一次可以同時檢查所有100萬個號碼。由於100萬個量子比特處於疊加態，量子干涉的效應會使前次的結果影響到下一次的量子操作，這種干涉生成的操作運算重複1000（即
）次後，獲得正確答案的概率為50%。但若再多重複操作幾次，那麼找到
Grover算法的用途很廣，可以尋找最大值、最小值、平均值等，也可以用於下棋。最有趣的用途是可以有效地攻擊密碼體系，如DES體系。這個問題的實質是從256＝7×1016個可能的密鑰中尋找一個正確的密鑰。若以每秒100萬密鑰的運算速率操作，經典計算需要1000年，而採用Grover算法的量子計算機則只需小於4分鐘的時間。難怪Grover以「量子力學可以幫助在稻草堆中尋找一根針」這樣的題目在 PRL上公佈他的算法。
雖然量子計算領域已經誕生了一些非常有效的算法，但它們的數量還遠遠不夠。各國科學家正從不同途徑來探索實現量子計算的算法，雖然量子計算不斷地取得進展，在《自然》《科學》雜誌上每年都有許多重要的進展發表，但仍未從根本上取得突破。看來，量子計算在算法領域還有許多疆域需要我們去開拓。
量子計算的另一個挑戰：物理實現
雖然「明星算法」為量子計算指明了前進的方向，但是如果不能將量子計算機的物理基礎搭建起來，那這一切都是無源之水、無本之木。
製造量子計算機的困難在於要找到可以編碼的量子比特，並且能夠有效地被外界控制，但又與環境有很好的隔離，不會使系統很快消相干失去量子特性的物理系統。Di Vincenzo關於量子計算的物理實現技術提出了著名的7個判據[5]。他認為，對於任何一種可行的量子計算實現技術，以下條件是必要的。
(1)可擴展的具有良好特性的量子比特系統。
(2)能夠制備量子比特到某個基準態。
(3)具有足夠長的時間來完成量子邏輯門操作。
(4)能夠實現一套通用的量子邏輯門操作。
(5)能夠測量量子比特。
(6)能夠使飛行量子比特和靜止量子比特互相轉化。
(7) 能夠使飛行量子比特準確地在不同的地方之間傳送。
雖然目前的科學和技術條件距離實現一個實用的量子計算機還有很大的距離，但是已經有一些科學技術手段可以實現對幾個量子比特的控制操作。目前，學者們已經提出了多種量子計算的實現技術和方案，包括離子阱、光學、量子點、超導約瑟夫森結、腔量子電動力學、液體核磁共振、Kane的硅基半導體方案、富勒球、中性原子和液氦表面電子等，其中有些實現技術已經成功地實現了簡單的量子算法。
離子阱方法
利用離子阱技術實現量子計算是Cirac和Zoller在1995年首次提出來的。2003年，奧地利因斯布魯克大學的Blatt研究小組利用離子阱技術成功地實現了Cirac-Zoller控制非門，同年，同一研究小組利用離子阱技術第一次成功地演示了Deutsch -Jozsa算法。離子阱技術的優點是具有較長的相干時間（可達10分鐘），有較高的制備和讀出量子比特的效率。目前，已經有人提出了建造大規模離子阱量子計算裝置的設計方案。
離子阱方法有待解決的問題是引起離子運動消相干的電場波動的來源目前還不是十分清楚，能儲存多條離子鏈的離子阱在實驗上很難實現，離子的自發輻射會導致消相干，激光的相位和強度的波動會影響對離子的操作，也會導致消相干。量子信息和量子計算研究的一個重要目的就是把信息的特性與物理規律聯繫起來，離子阱量子計算為研究這種聯繫提供了具體和完整的研究途徑。
光學方法
光學方法不僅在量子信息研究中非常重要，在量子計算領域也是一個十分重要的手段和研究方向。光學方法差不多在量子信息研究的每一個領域都有貢獻，其中包括量子遠程傳態、量子密碼、多粒子量子糾纏、量子態和量子過程的重建以及簡單量子算法的實現等。事實上光子是一種十分理想的量子比特的載體：光子的偏振和光子的路徑信息都可以用來編碼量子比特；用各種半波片和半透鏡等光學器件就可以完成對量子比特的單比特操作；而且目前的單光子探測技術可以對光子進行令人滿意的測量。
一個通過事後選擇實現CNO門的光學方法（量子比特由光子的不同偏振態編碼，光子之間的相互作用由事先制備的糾纏提供），光子與環境的相互作用很小，具有很好的相干性，但同時也帶來了一個問題：光子之間幾乎沒有相互作用，無法實現2個量子比特直接的邏輯門操作。雖然基於線性光學器件和單光子源的量子計算方案在2001年就被提出來了，但在2003年研究人員才首次通過光學方法利用糾纏光子對明確地實現了2個量子比特的邏輯門控制，但這種現象是概率性的。
光學方法有很多其他方法所不能比擬的優點：光子是飛行比特，天然適合於分佈式量子計算;精確的單比特操作;光學中有許多相當成熟的技術可以利用;與量子通信直接兼容;目前最成熟的糾纏源就是參量下轉換過程（parametric down-conversion）所產生的糾纏光子源。
量子點方法
量子點方法是指利用半導體制備技術製造的一種砷化鎵量子點（Ga As QDs）。量子點中的電子自旋可以作為量子比特，在一個典型條件下（300m K，5T），平衡態的量子點中的電子自旋向上的概率為99%。利用電子的泡利不相容原理，通過自旋和電荷之間的關聯，可以通過普通的電子開關對電子自旋進行控制。原理上可以通過電子的電荷及電子的庫侖相互作用完成對電子自旋編碼的量子比特的各種操作，包括單量子比特操作和兩量子比特操作及結果的讀出。
目前的量子點量子計算處於裝置結構的製造和基本性質的研究的階段，距離實現量子計算的7個條件還有很多工作要做。但作為一種固體量子計算實現技術，它可以借助很多現在的半導體製造技術和經典電子技術。
10種量子計算物理實現方法：Divincenzo判據[1]
軍事與商業：量子計算的用武之地
近幾年，無論是量子計算的硬件規模還是操作的保真度和可控性，都在穩定地增長，可以預見，在未來的幾年內量子計算系統會在很多特定任務上表現出比傳統計算機顯著的優勢。無論是在軍事方面，還是在商業方面。
軍事領域
當今時代，人類戰爭的形態已經由機械化轉化為信息化，而實現這一轉變的里程碑事件是1946年世界上第一台計算機的誕生。但是，隨著信息技術的進一步發展，電子計算的瓶頸也逐漸凸顯出來。為了進一步提高計算能力，世界各國的軍事機構和公司都在相繼開展量子計算的研究工作。自美國的「量子信息科學和技術發展規劃」和旨在研發量子芯片的「微型曼哈頓計劃」開始，不甘落後的日本、法國、德國等國家也制定了一系列關於量子計算的軍事計劃。作為軍事大國，我國在量子計算的研究和應用上也不落人後，對光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態操縱的首次實現，就是我國在量子計算領域研究的代表之作，這一成果也為量子計算的擴展應用奠定了基礎。
量子計算可以應用在軍事通信領域，將量子比特用作信息傳輸的載體，不僅可以使通信過程的傳輸速度更快、容量更大，還可以提高信息傳輸的安全性。量子通信可以提供一種相對於傳統的密碼體系來說更安全的新型密碼體制。利用量子疊加原理，一旦有竊聽者存在，在發送的信息中就會存在額外的誤碼，能被迅速地檢測到，從而使密碼傳輸具有極高的安全性。而更安全的密碼傳輸，可以使軍隊在紛繁複雜的未來戰鬥的過程中，相互連通的方式更有保障，從而佔據更大的主動性。值得一提的是，量子通信與傳播介質無關，這與傳統的通信技術相比是一個極大的優勢；在一些特殊環境中，如深海等，仍然可以保證遠距離通信。
隨著量子衛星的成功發射，科研工作者如果後續將量子衛星組網，並與地面的通信網絡協同合作，在可見的未來構建空間廣域量子保密通信網絡，甚至是可達全球覆蓋，這在軍事行動中將成為一柄利劍，未戰先立於不敗之地。通信技術將構建跨區域範圍甚至是全球範圍的量子通信網絡系統，並具有極高的通信安全保障。
雷達系統是現代軍隊作戰的探測器和指揮官，量子計算在雷達領域也具有巨大的應用潛力。現代戰爭中使用的雷達是發射電磁信號的相控陣雷達，雷達發射的電磁信號經過目標發射後，返回到雷達系統的接收機中，經過信號處理，我們就會知道敵方軍事目標的位置、速度等重要信息。但是，隱身技術的飛速發展，向現代雷達的探測能力提出了巨大的挑戰，提高雷達信號的探測靈敏度就成為各個軍事機構研究的重點課題。利用量子不可克隆原理和量子疊加原理，將量子信息調製到雷達信號中，可以獲得量子雷達，其靈敏度將遠高於傳統雷達。利用量子計算機對量子信號分析處理，將使我們迅速獲得敵方軍事目標的活動軌跡，這些信息會為我方部隊提供精確打擊的基礎，對敵方而言則是「死亡的喪鐘」。量子計算在雷達領域的使用，有望使未來軍隊在探測與反隱身作戰方面邁上新的台階。
除去軍事通信和雷達領域之外，量子計算在軍事成像領域也可以大顯身手。利用量子計算的獨特性質，可以實現量子光場，進而提高軍事成像的分辨率。量子成像技術，可在沒有目標的光路上得到探測目標的圖像，在未來戰場上具有的應用前景同樣不可限量。
商業領域
我們相信，在未來的某日，穩定可控的量子計算機將會在眾人期待中登上歷史的舞台。從理論上來講，這種計算機能夠解決一切計算難題，因此投資界一致認為關於量子計算的投資將會帶來長遠的收益。實際上，雖然目前能解決實際問題的量子計算機還在研製中，但一旦有與量子計算相關的小設備投入生產和使用，對於投資者來說也必然是一筆可觀的收入；而且這一天不會來得太晚，隨著研究的不斷突破， 3～5年內發生是大概率事件。在商業範疇，時間就代表著金錢甚至生命。更快的計算速度代表著更高的效率，基於量子計算開發的設備在金融、醫療、生物甚至人工智能等領域具有廣闊的應用前景，並將帶來可觀的商業回報。
有關量子計算的設備嶄露頭角時，將會在哪些技術領域得到商業運用呢？根據量子計算的特點和相對於傳統計算系統的優勢，我們在這裡做出大膽的假設：量子計算的初步應用應該會涉及數值模擬、優化和採樣等需要處理龐大數據的領域。
數值模擬即通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。以對材料的性能極其相關的化學反應模擬為例，使用傳統方法需要花費極大的財力和時間，而且很難研究出量子層面的分子間互動；而一旦引入量子計算，大規模短時間建模計算將不再是夢。基於量子計算，甚至可以在短時間之內建立龐大的備選材料數據庫。傳統方法對材料的模擬只能達到定性分析的水平，而量子計算能達到定量模擬的高度，並且還有預測新型材料的能力。不管是為了化學反應開發高效的催化劑，還是為了航天航空領域開發特殊性能的材料，或是為了醫學領域開發更適合人體的醫療設備材料，量子力學的大容量和超快速都可以帶來巨大的商業價值。IBM試驗性量子計算集團的經理傑瑞·周(Jerry Chow)說：「在藥物製造、藥物設計、化工設計以及生物製藥等領域，量子模擬很有潛力。」
優化是各行各業中都會面臨的問題，在物理、社會等各種計量學科中，中心任務都是優化。下面以製造業的參數優化為例來簡單地介紹一下優化的概念。參數優化是達到設計目標的一種方法，通過將設計目標參數化，採用優化方法，不斷地調整設計變量，使得設計結果不斷接近參數化的目標值。隨著增材技術的穩定性應用，與之配套的優化技術也相應成為製造業在近幾年的熱點。但傳統算法由於其本身的局限性，並不能為優化的發展提供基礎，在解決優化問題上屢屢遇到困難；其原因在於傳統算法中優化的核心是嘗試尋找數學上可能存在的解，而好的方案的獲得往往需要克服巨大的計算障礙。如果換一種思路，使用統計學的方法，同時在經典採樣中引入量子現象，就可以利用量子現象的隧穿效應找到稀有但高質量的解決方案，事半功倍。這就比如面前有一堵牆擋住了我們的去路，傳統方法在高牆之下一籌莫展，而量子輔助優化卻宛如「嶗山道士」般穿牆而過。
另外，量子計算還可被應用於採樣技術。與統計學中常用的概率分佈函數抽樣不同，理想的量子電路可以從更大的概率分佈函數中進行採樣。而且有研究表明，只需要一個25層的網絡，每層使用了一個7×7 量子比特的量子電路，就有望從經典方法不能採樣的概率分佈函數中採樣。量子採樣在機器學習中的推理和模式識別等方面將有極大的應用前景。
量子計算應用的先行者
量子計算強大的運算能力，使其成為諸如複雜問題優化、量子加密通信等領域的不二選擇。為了在這個極富前景的領域開疆拓土，眾多公司不惜投入極大的財力與人力開展相關的應用研究。
谷歌
作為搜索行業的巨頭，谷歌公司希望通過量子計算來獲得更好的人工智能和更好的複雜優化問題的解決方案。
谷歌在量子人工智能實驗室（Quantum Artifcial Intelligence Lab，Qu AIL）擁有一台 D-Wave Systems 的量子計算機。該實驗室由美國宇航局（NASA）以及位於加利福尼亞州芒廷維尤的美國宇航局艾姆斯研究中心（NASAAmes Research Center）的大學空間研究協會（Universities Space Research Association）共同辦。
D-Wave Systems Inc是世界上第一家商用量子計算機公司，它與谷歌的交易是 D-Wave 歷史上最大的一筆。谷歌及其合作夥伴擁有長達7年的最新 D-Wave 機器的訪問權限，期間新一代D-Wave 系統將被安裝在美國宇航局艾姆斯研究中心的設備上供其使用。D-Wave公司是量子計算機研究的開拓者。2007年，加拿大初創公司D-Wave Systems宣佈，他們使用16個超導量子比特成功製成了量子計算機，這一消息震驚了世界。但是D-Wave的機器並沒有使所有的量子比特發生糾纏，並且不能一個量子比特接著一個量子比特地編程（be programmed qubit by qubit），而是另闢蹊徑，使用了一項名為「量子模擬退火」（quantum annealing）的技術。在該技術下，每個量子比特只和鄰近的量子比特糾纏並交互，這並沒有建立起一組並行計算，而是一個整體上的、單一的量子狀態。D-Wave開發者希望把複雜的數學問題映射到該狀態，然後使用量子效應尋找最小值。對於優化問題（比如提高空中交通的效率）來說，這是一項很有潛力的技術。
但批評者們立刻指出：D-Wave並沒有攻克許多公認的量子計算難題，如錯誤修正（error correction）。包括谷歌和洛克希德馬丁在內的幾家公司購買並測試了D-Wave的設備，他們初步的共識是，D-Wave做到了一些能稱之為量子計算的東西，而且在處理一些特定任務時，他們的設備確實比傳統計算機要快。無論這到底算不算量子計算，D-Wave把IT行業的巨頭們震醒了。硅谷企業家Chris Monroe說：「D-Wave確實打開了人們的眼界。他們讓大家意識到量子計算機是有市場的，並且有強烈的需求。」幾年內，各個公司紛紛投入到與它們的專業知識相關的量子計算領域去。
領導谷歌 Qu AIL 工作的 Hartmut Neven 及其團隊最近發表了一篇有關其 D-Wave 2X 計算機的論文，它展示了該機器的計算執行速度能比一塊經典的計算機芯片快 1 億倍速的初步測試結果。早在 2013 年，該團隊已利用 D-Wave 的機器在 Web 搜索、語音/圖像模式識別、規劃和行程安排、空中交通管理、機器人外太空任務等應用中進行了量子計算的探索，並支持任務控制中心的操作。
2014 年，為了減少機器學習與人類智能之間的差距——且為了在人工智能的新興領域中取得領先地位——谷歌開始利用其在 D-Wave 機器上的經驗並專注於開發自己的量子硬件。谷歌為此僱傭了聖巴巴拉市加利福尼亞大學（University of California,Santa Barbara）的一位超導量子比特專家John Martinis 及其團隊，來建立谷歌的專屬量子芯片。這之後，John Martinis團隊宣佈，他們已經建成了9個量子比特的機器，是目前世界上可編程的最大的量子計算機之一，而且他們正在嘗試擴大規模。為了避免大堆纏繞的電線，他們正在2D平面結構上重建該系統。系統會鋪設在一塊晶圓上，所有的控制電路都被蝕刻在上面。
John Martinis團隊如今已有30名科學家和工程師。2016年7月，他們用了3個超導量子比特來模擬氫分子的基態（ground state）能量，這展示了在模擬簡單的量子系統上，量子計算機可以做到和傳統計算機一樣好。Martinis表示，這個結果預示了擁有「量子霸權」的計算設備的力量。他還認為，谷歌用1年時間創造出49個量子比特計算機的計劃很趕時間，但有可能實現。
英特爾
與谷歌公司的出發點不同，英特爾公司對量子計算的研究則專注於利用量子計算在先進製造業、電子工業和更好的系統架構設計中受益。
對量子計算最大的投資也來自英特爾。2015年，英特爾公司宣佈將向荷蘭代爾夫特理工大學的量子技術研究項目Qu Tech以及荷蘭應用研究組織投資5000萬美元，用於 10 年合作期的工程支持供給。英特爾專注於硅量子點（silicon quantum dots）技術，它經常被稱作「人造原子」。一個量子點的量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上的電子的量子態可以用0或1來表示。不同於離子或原子，量子點不需要激光來困住它。
早期的電子點用幾近完美的砷化鎵晶體製作，但研究人員們更傾向於硅，希望能借用半導體產業的巨大產能。Qu Tech技術負責人Leo Kouwenhoven說：「我認為英特爾屬意於硅，畢竟那是他們最擅長的材料。」但是基於硅的量子比特研究大大落後於囚禁離子技術和超導量子技術。2016年，澳大利亞新南威爾士大學的一個研究團隊才完成2個量子比特的邏輯門。
英特爾公司首席執行官Brian Krzanich 曾發表了一篇博客，詳細描述了公司在量子計算領域的戰略利益，以及電子工業和製造業的專業知識在量子計算實踐方面的相關性。這也從側面反映了英特爾公司在量子計算領域開疆拓土的雄心壯志。
微軟
作為全球最大的計算機操作系統供應商，微軟正在為量子計算機製造專用軟件和硬件。
早在2005年，微軟帶領的一支研究團隊就提出了一種在半導體——超導體混合結構中建造拓撲保護量子比特的方法。而微軟公司量子計算研究的核心部門——Qu Ar C 部門成立於2011 年 12 月，其關注的重點是為可擴展的、容錯的量子計算機的使用設計軟件架構和算法。該機構值得關注的一項成就是LIQUi——一種用於量子計算的軟件架構和工具套件。微軟的Qu Ar C團隊與全世界的許多大學都建立了緊密的合作關係，其中包括代爾夫特理工大學、Nils Bohr 研究所、悉尼大學、普渡大學、馬裡蘭大學、蘇黎世聯邦理工學院和加州大學聖巴巴拉分校（UCSB）等知名學府。 2014年，微軟透露自己在UCSB的校園內有一個名叫Station Q的小組正在研究拓撲量子計算（topological quantum computing）——旨在改善量子狀態的控制設計。在Qu Ar C團隊的軟件和算法工作的基礎上，Station Q 是微軟一項跨世界的工作：將全世界的數學家、計算機科學家、量子物理學家和工程師集合起來構建混合超導/半導體設備，以用於受控環境中的應用，其最終目標是創造一種可擴展的、容錯的通用量子計算機。
微軟團隊的研究表明，理論上拓撲量子計算機不需要在錯誤修正上花費那麼多量子比特。
在量子計算研究火速發展的今天，微軟絕不會停止自己前進的步伐。近期，微軟已經投資了數個團隊進行量子計算的研究嘗試。這些團隊近期的研究顯示，量子計算中的關鍵載體「任意子」以電路中電流的模式進行移動。這些科學家已經很接近展示真正的量子比特了。微軟研究團隊的首席科學家Preskill說：「我認為在一兩年內，我們就可以看到結果——拓撲量子比特確實存在。」
在國外的IT行業巨頭重點研究量子計算的同時，我國的科學家和企業家們也不遑多讓。2015 年 7 月，阿里巴巴的阿里雲與中國科學院在上海建立了一個研究機構，叫作阿里巴巴量子計算實驗室（Alibaba Quantum Computing Laboratory）。該實驗室的目標是為電子商務和數據中心研究量子安全技術。阿里巴巴打算用量子計算機來開發更安全的電子商務和支持電子商務的數據中心。
致力於量子計算研究的公司和機構還遠不止這些。自進入工業時代起，人類已經走過了蒸汽時代、電氣時代和信息時代，而蒸汽機、電燈和電子計算機的發明，正是人類叩開新時代的大門的鑰匙。在眾多科研工作者的努力下，相信在不久的將來量子計算機就會實現，人類社會會隨之進入「量子時代」嗎？讓我們拭目以待。
專家點評
張雲泉
中國科學院計算機技術研究所研究員、博導，國家超級計算濟南中心主任。
人類對新計算工具的創新和更快的計算速度的追求是永無止境的。
最早期的人類用繩子結繩計數，還只是滿足於對自己獵取收穫的統計和管理功能，那時的計算工具就是繩子，僅僅能夠起到統計數量的目的。
中國是世界上最早發明算盤這一先進計算工具的國家，而且我個人認為算盤也是世界上最早具有並行計算能力的計算工具。算盤與繩子相比，已經具有加減的基本計算能力，根據珠算口訣，人的10個手指可以同時參與這一過程，從而有效地提高了人類對數據的處理速度。直到現在，仍然有一批熟練使用算盤的人，而且他們還舉辦比賽。
此後的中國人幾乎滿足於算盤的作用，基本沒有再發明更先進的計算工具。而歐洲隨著文藝復興走出黑暗的中世紀時代，隨著蒸汽機的發明和廣泛使用以及資本主義商業活動的日益活躍，對計算速度的需求快速提升，人們急需一種新的計算工具。於是，以英國人為主的歐洲科學家們開始了對自動差分機的機械計算工具的研究競賽。這也為後來的圖靈計算機的提出奠定了堅實的基礎。
基於此前對機械自動計算工具的堅實的研究基礎，英國人在第二次世界大戰中基於破譯德軍密碼這一對計算能力的強烈需求，投入了最精銳的科學家研製自動破譯密碼的機械計算工具，並成功地破譯了德軍傳奇式的恩尼格碼密碼機，對盟軍贏得第二次世界大戰做出了卓越的貢獻。而在這其中起到關鍵作用的就是現代計算機的理論奠基人圖靈。圖靈最早提出了圖靈計算機的理論基礎，並提出了圖靈測試。
真正意義上的現代計算機，是在第二次世界大戰之後由美國人主導發明的，這其中的關鍵人物就是美國曼哈頓工程的科學家馮·諾依曼教授。他提出的存儲程序計算機，也就是我們常說的馮·諾依曼體系結構計算機，是直到現在還在使用的計算機體系架構。雖然有科學家提出過非馮的新體系架構，但實際上其本質還是馮氏體系架構的範圍，只不過做了一些擴充而已。所謂「孫悟空即使有七十二變和觔斗雲，也翻不出如來佛的手掌心」。
而真正能夠「跳出如來佛手掌心」的是擁有量子疊加能力的量子計算機。量子計算的概念最早是由美國物理學家費曼在1982年提出的。量子計算機是基於量子理論提出的，特別是量子同時處於0和1兩種狀態的特性，這與半導體同一時間只能處於0或1的狀態截然不同。但是量子計算機的研製充滿了艱難曲折，此前一直處於理論研究的階段。
雖然美國宇航局、谷歌公司等機構合作開發的D-Wave量子模擬機對某些問題的求解速度已超過傳統計算機的1億倍，但學術界還是有許多人認為這不是真正的通用量子計算機。D-Wave 的機器並沒有使所有的量子比特發生糾纏，並且不能一個量子比特接著一個量子比特地編程，而是另闢蹊徑，使用了一項名為「量子模擬退火」（quantum annealing）的技術。該技術中，每個量子比特只和鄰近的量子比特糾纏。最新版的D-Wave 2000Q量子計算機包含約2000個超導量子比特（qubits），是前一代量子計算機的2倍，售價僅為1500萬美元，但是其性能也僅僅比當前最快的單個CPU或GPU快一些。就像《自然》雜誌所解釋的那樣：D-Wave使用的量子比特相對來說比較簡單，這使該公司能研製出首台經濟可行的量子計算機，但成也蕭何敗也蕭何，這種量子比特非常脆弱，且比其他實驗室正在研發的量子比特更容易失去量子狀態。
谷歌是世界公認的量子計算機領域的領頭羊。谷歌進入量子計算的路徑是極小的超導電路。原理是用一股無電阻電流沿著電流回路來回振蕩，注入的微波信號使電流興奮，從而讓它進入疊加態。目前，谷歌已製造出9個量子比特的機器，並計劃在2018年增加至 49個量子比特。這是一個極為關鍵的門檻。有學者預計，在50個量子比特左右，量子計算機就能達到「量子霸權」（quantum supremacy）。微軟不久前也公佈了自己的開發路徑，它的選擇是拓撲量子比特技術，是以「任意子」(anyons)作為基礎。「任意子」是一種以 2D 形式存在的粒子，可用於構建超級計算機的模塊並激發亞原子的物理屬性。其原理是電子通過半導體結構時會出現准粒子，它們的交叉路徑可以用來編寫量子信息。
與上述兩家公司選擇的技術路徑不同，英特爾公司正在努力利用硅晶體管的能力來製造量子計算機。英特爾在美國俄勒岡州波特蘭的量子硬件工程師團隊正與荷蘭代爾夫特理工大學Qu Tech量子研究所的研究人員展開合作。英特爾公司聲稱，已經可以在芯片工廠中將量子計算機所需的超純硅層加到標準芯片上。這一技術路線使得英特爾在眾多研究量子位的工業和學術團體中表現突出。其他公司利用超導電路去實現量子位，但這樣的量子位數量有限。此外，相對於超導材料，硅量子位的可靠性更好。
在國內通過不同方法開展量子計算研究的有中國科技大學、南京大學和中科院物理所等單位，近期中國的阿里巴巴公司也攜手中國科技大學加入戰團。2017年年初，中國科技大學首次實現了10個光子糾纏，再次刷新了光子糾纏態制備的世界紀錄，向實現20個、30個光子的糾纏在特定問題的處理能力上超越經典商用計算機邁出了重要一步。
樂觀的估計，實用的量子計算機在未來的5年之內就會投入使用。2025年左右，具有50個量子位運算能力的量子計算機將投入使用，並在計算能力上超越同時代的最快的超級計算機。當然，也有一些科學家很悲觀，認為50年內量子計算機很難投入使用。這是量子計算機的一體兩面，必須辯證地看待這個問題。未來幾十年，超級計算與量子計算將共同存在和發展，超級計算擅長解決科學計算問題，量子計算擅長解決優化問題和機器學習問題，二者是互補的。目前的量子計算機還需要計算機的驅動，可以作為加速卡來使用。量子計算希望一個問題的輸入和輸出盡量少，計算量盡量大，越大越好。
Nature 以「2017年將使量子計算機從實驗室走進現實」為題刊文，預計2017年該領域具有值得期待的突破。量子計算長期以來都被認為是20年以後才會實現的技術，但是2017年可能是這個領域改變其「僅限於研究」的印象的一年，量子計算正在從純粹的科學轉變到工程建造。目前，已經可以做到20個量子位的同時操作。
總之，隨著摩爾定律在提出50年後逐漸失效，整個IT界都在期盼一種新的計算工具的出現，能夠拯救摩爾定律。而量子計算機就是其中被寄予厚望的新計算工具之一。讓我們拭目以待。
[1].#1-#7分別對應前面介紹的7個Divincenzo判據，▲暫無方案，■原理上可行，★可行性得到了比較充分的證實