今天各大媒體報導了關於量子計算的重磅資訊：

中共中央政治局10月16日下午就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。總書記在主持學習時強調，當今世界正經曆百年未有之大變局，科技創新是其中一個關鍵變數。我們要於危機中育先機、於變局中開新局，必須向科技創新要答案。要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局，把握大趨勢，下好先手棋。清華大學副校長、中國科學院院士薛其坤就這個問題進行了講解，提出了意見和建議。

新華社北京10月17日電

這是繼人工智慧、大數據、區塊鏈之後，政治局第四次集中學習一項重要技術，對於“量子計算”的重視可謂提高了國家戰略的角度。此前三次分別如下，我也都寫過分析文章：

1. 2017年12月8日的第二次集體學習，主題是“實施國家大數據戰略” （參考文章）
2. 2018年10月31日的第九次集體學習，主題是“人工智慧發展現狀和趨勢” （參考文章）
3. 2019年10月24日的第十八次集體學習，主題是“區塊鏈技術發展現狀和趨勢”（參考文章）

那麼，到底什麼是量子計算呢？雖然這個名詞聽起來非常高大上，我還是按照慣例，試圖用五分鐘的時間，以問答的形式給大家有個初步的瞭解。

1. 什麼是量子？ 

量子（quantum）是現代物理的重要概念。一個物理量（譬如重量、光、能量）如果存在最小的、不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子。例如，光可以分解為不同頻率的光（同學們，還記得傅裏葉變換嗎？），再進一步分解為每個頻率下光的基本能量單位——光子。光子就是光的量子。

通俗地說，量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。

2. 那麼，什麼是量子計算呢?

量子計算就是利用量子在微觀物理世界中表現出的特性（即“量子力學”），而構建的計算模式。

它的理論模型並沒有突破，仍然是傳統電腦所使用的圖靈機，所以它只能計算傳統電腦所能解決的問題。但是在計算效率上，它的處理速度可能遠遠高於現有的電腦。

3. 為什麼量子計算的效率可能遠高於現有電腦？

效率提升的關鍵在於，量子計算採用了一種叫做“疊置”的計算方法，如下圖所示：

普通電腦中的3位寄存器，在任一時刻僅能存儲8個二進位數字中的一個。而在量子電腦中，同樣的3位（這裏的位叫做“量子比特”）寄存器可同時存儲這8種狀態的疊加狀態。對於n個量子比特而言，它可以承載2的n次方個狀態的疊加狀態。

這意味著量子電腦如果有500個量子比特，則量子計算的每一步會對2^500種可能性同時做出了操作。要知道，2的500次方是一個非常驚人的數字，比地球上已知的原子數還要多，而且這還是真正的並行處理。因此，無論是在計算，還是在存儲的效率上，量子計算都大大超過了傳統計算。

穀歌在去年9月的《自然》雜誌150周年特刊上，宣佈用54量子比特（即上面所說的“位”），用3分20秒解決了傳統電腦需要用一萬年才能解決的問題，並提出了所謂“量子霸權”（Quantum supremacy）的概念。之後圍繞這個結果有很多爭議，IBM提出傳統電腦其實用兩天也就能解出這個問題。不過即使如此，其性能提升也是非常明顯的。

4. 量子計算這項技術是怎麼來的？

物理學家費曼在1981年於麻省理工學院的一場演講中，勾勒出以量子現象實現計算的願景。（參見我關於費曼的一篇紀念文章）

1985年，牛津大學的D. Deutsch提出量子圖靈機的概念。

1994年，貝爾實驗室的應用數學家P. Shor指出，相對於傳統電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內將一個很大的整數分解成質因數的乘積。

1999年，日本NEC公司實驗驗證了量子電腦的基本組件“超導量子比特”。

2011年5月11日，加拿大量子計算公司D-Wave正式發佈了************款商用型量子電腦“D-Wave One”。

2016年，IBM推出量子計算雲服務。

2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q。

2018年10月12日，華為公佈了在量子計算領域的最新進展：量子計算模擬器HiQ雲服務平臺。

2019年8月，中國量子計算研究獲重要進展，與德國、丹麥學者公共開發了量子電腦需要的高性能單光子源。

2019年9月，穀歌在《自然》上發表了關於量子霸權的科研文章。

5. 量子計算現在發展到什麼階段了?

目前各國的政府和企業都在積極推進量子計算的研發工作，也有企業推出了商業化的量子計算產品（D-Wave Systems）和服務（IBM）。但是，目前的研究主要集中於硬體部分，而實用的演算法和軟體還很欠缺。也就是說，目前建設的量子電腦，只能解決某一類問題（典型的如路線優化、大因數分解等）。要想做到可以執行通用的程式，量子比特的個數需要以100萬到1億為單位，在先有基礎上還要增加上百、上千倍。

穀歌 CEO 桑達爾·皮查伊和聖芭芭拉實驗室中穀歌的量子電腦

6. 為什麼量子計算受到如此高度的重視?

如前所述，量子計算可能會給計算性能帶來翻天覆地的變化。如果把我們現有電腦的計算能力比喻為自行車的話，量子計算將來可能實現的算力可以視為是火箭。這意味著會對科研、工業、生活的方方面面帶來變革性的影響。

以下列出了日本媒體給出的近年來量子計算領域專利申請情況，可以看到美國一枝獨秀，中國迎頭趕上。

7. 量子計算和量子通信有什麼關係?

兩者不是一回事。

前者是利用量子的“疊置”特性做計算，後者是用量子的“糾纏”特性做通信的加密。量子通信目前發展相對而言已經有了一些應用，不過至於其成效，眾說紛紜，有待觀察。以後有時間我會單獨寫一篇這方面的科普文章。