中國的量子通訊實用化對整個行業形成了巨大的衝擊，正等於是中國在該技術方面獲得了劃時代的巨大勝利。這下子日美的技術就是再怎麼升級也無法追上中國的速度了，一旦中國的軍事裝置都開始使用量子技術那麼西方形成的先進電子技術優勢都將不復存在反而還被反超了甚至不止一個代差。這裡面收益的可不僅僅一個阿里甚至包含了整個世界，中國掌握了行業技術的主導權就可以更好的服務於世界和平。這下子該美華人睡不著覺了！

近日，中國科學院和阿里巴巴在中國科學技術大學上海研究院聯合成立了“中科院-阿里巴巴量子計算實驗室”。這是中國首次由科研單位引入民間資本來全資資助基礎科學研究。

放眼世界，這一合作的先例來自於美國。繼IBM和微軟之後，Google也開展了量子計算研究，並和美國國家航天局（NASA）聯合成立了量子人工智慧實驗室（QuAIL）。2014年，Google正式僱傭美國加利福尼亞大學聖芭芭拉分校的約翰·馬丁尼斯（John Martinis）成立超導量子計算實驗室，開創了私人公司全資資助量子計算實驗室的先河。

阿里巴巴做為中國市值最高的網際網路公司在經典資訊科技上積累雄厚，同時中國科學技術大學在量子資訊學研究上領先世界。在Google模式的啟發下，兩者一拍即合，成立了該聯合實驗室。

量子疊加態

量子計算為何有如此魅力，吸引網際網路巨頭紛紛解囊？這要從量子物理學最基本也是最奇異的特性“疊加態”（superposition）說起。在經典物理學中，物質在確定的時刻僅有確定的一個狀態。量子力學則不同，物質會同時處於不同的量子態上。一個簡單的例子就是雙縫干涉，經典的粒子一次只能透過一個狹縫，但是量子力學的粒子一次可以同時透過多個狹縫，從而產生干涉。

傳統的資訊科技紮根於經典物理學，一個位元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。量子資訊紮根於量子物理學，一個量子位元（qubit）就是0和1的疊加態，可以寫作：

|Φ>=a|0>+b|1>

這裡用Φ代表0和1的疊加（因為長得像）。|>為狄拉克符號，代表量子態。a和b是兩個複數，滿足關係|a|2+|b|2=1。於是一個量子位元可以用一個布洛赫球面（Bloch sphere）來表示。相比於一個經典位元只有0和1兩個值，一個量子位元的值有無限個，分佈在整個布洛赫球面上。

因為處於疊加態，一個量子位元同時代表|0>和|1>（只要取值不恰好是|0>或者|1>），對這個量子位元做一次操作就相當於同時對|0>和|1>都做了操作。擴充套件下去，比如一個10位元的數，經典計算一次運算只能處理一個數（如0001001000，0100001000，1001101101…….）。量子計算則可以處理一個10量子位元的疊加態：|ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ>。這就即意味著，量子計算一次運算就可以處理210=1024個數（從0到1023被同時處理一遍）。

以此類推，量子計算的速度與量子位元數是2的指數增長關係。一個64位的量子計算機一次運算就可以同時處理264=18446744073709551616個數。如果單次運算速度達到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那麼這個64位量子計算機的資料處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計算機（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍！

量子力學疊加態賦予了量子計算機真正意義上的“平行計算”，而不像經典計算機一樣只能並列更多的CPU來並行。因此在大資料處理技術強烈需求的今天，量子計算機越來越獲得網際網路巨頭們的重視。

肖爾演算法——RSA加密技術的終結者

1985年，牛津大學的物理學家戴維·德意志（David Deutsch）提出了量子圖靈機的概念[1]，隨後貝爾實驗室的彼得·肖爾（Peter Shor）於1995年提出了量子計算的第一個解決具體問題的思路，即肖爾因子分解演算法[2]。

我們今天在網際網路上輸入的各種密碼，都會用到RSA演算法加密。這種技術用一個很大的數的兩個質數因子生成金鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由於這個數很大，用目前經典計算機的速度算出他的質數因子幾乎是不可能的任務。

但有了量子計算機，就是另外一種情況。利用量子計算的並行性，肖爾演算法可以在很短的時間內透過遍歷來獲得質數因子，從而破解掉金鑰，使RSA加密技術不堪一擊。

量子計算機會終結任何依靠計算複雜度的加密技術，但這不意味著從此我們會失去資訊保安的保護。量子計算的孿生兄弟——量子通訊，會從根本上解決資訊傳輸的安全隱患。（關於量子通訊，可以參考我之前寫過的科普文章。）

格羅弗演算法——未來的搜尋引擎

肖爾演算法提出一年後的1996年，同在貝爾實驗室的洛夫·格羅弗（Lov Grover）提出了格羅弗演算法[3]，即透過量子計算的並行能力，同時給整個資料庫做變換，用最快的步驟顯示出需要的資料。

量子計算的格羅弗搜尋演算法遠遠超出了經典計算機的資料搜尋速度，這也是網際網路巨頭們對量子計算最大的關注點之一。量子資訊時代的搜尋引擎將植根於格羅弗演算法，讓我們更快捷地獲取資訊。

退相干——量子計算機最大的障礙

量子計算各種演算法的理論已經成熟多年，但是世界上第一臺量子計算機還是遙遙無期。因為在物理實現上，量子計算機需要大量的量子位元關聯起來，進行量子邏輯閘操作，這就不得不面對“退相干”的難題。

退相干現象來自外界環境對量子態的擾動，使量子態逐漸演化到經典的狀態，失去量子疊加特性。越大的系統各種內部和外部的相互作用越多，也就越難維持量子態。退相干發生得也就越快。這就是為什麼能觀察粒子的疊加態，卻觀察不到薛定諤貓的疊加態，因為貓這麼大的系統會以極快的速度發生退相干，只留下經典的死或活狀態。退相干在量子和經典世界間建立了一條鴻溝。

量子邏輯閘的各種物理實現方案中，有的可維持較長的退相干時間，卻無法做到很多的量子位元關聯（如離子阱[4]，核磁共振）。有的反之可以做大，但退相干時間過短（如超導電路[5]，量子點）。相比之下，後者看似更有希望透過延長退相干時間取得突破，實現可用的量子計算機。

量子計算機與人工智慧

英國物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）把依靠經典計算機的人工智慧稱為“皇帝新腦”（即像皇帝的新衣一樣）。他認為人腦不會像經典計算機那樣以確定的方式處理資訊，但量子測量會賦予人腦隨機性，同時量子疊加態還會賦予人腦全域性觀（一個一個畫素處理的經典計算做不到全域性觀），因此彭羅斯認為，人腦是一臺量子計算機，並且和神經學家斯圖亞特·哈默羅夫（Stuart Hameroff）給出了模型。

彭羅斯的假說很吸引人，但是麻省理工的物理學家麥克斯·特格馬克（Max Tegmark）計算出，室溫下彭羅斯模型的退相干時間只有10-15秒量級，遠不夠進行量子計算。爭論仍在持續，這個假說的證據也遠遠不足。也許量子計算機的研究能在某個量子和經典的交匯點上給出答案，解答人類意識和智慧的起源。那樣，量子計算機就會成為實現真正的人工智慧的關鍵。

基於以上原因，量子計算機一旦實現，會成為人類歷史上最偉大的科學技術成就之一。量子計算機的研究任重道遠，目前仍然處於燒錢研發階段。很多人不理解鉅額投入的價值，但回想一下，我們現在手中用到的便利廉價的資訊科技，都源自於上世紀五六十年代以貝爾實驗室為首的科研機構長期燒錢的結果。未來我們的子孫很可能用著量子手機和智慧機器人，在量子網際網路上感謝著我們這個時代網際網路巨頭們的投入。