Q1「遇事不決量子力學」&「不自量力」？

關于量子力學有兩句話，第一句話是「遇事不決量子力學」，很多好萊塢電影和一些賣概念的商品會把量子吹得神乎其技，所以老百姓容易把量子玄學化，但量子力學本身是一門非常嚴謹的科學，研究微觀體系下物質的運動規律，不像宏觀世界，可以看見蘋果從樹上掉下來、車在路上行駛等遵循牛頓宏觀力學原理的現象，微觀體系下的電子和光子存在很大的不確定性，還可能有疊加狀態和著名的量子糾纏現象，所以只靠想象很難理解量子本身。第二句話是「不自量力」，意思是不要自己去學量子力學，容易越學越懵，很多人覺得自己學得明白，但可能完全是不正確的理解。

Q2量子計算與傳統計算有什么本質區別？

就經典計算機而言，無論是手機、電腦、筆記本還是非常厲害的超算，它們最基礎的運算單元都是晶體管，打個比方，晶體管的運行原理類似三峽大壩，有開關可以控制電流，因為計算機不像大腦以十進制接收信息，它是二進制，只包括通和不通兩個狀態，這也是 0 和 1 說法的來源。但現在經典計算機面臨著巨大挑戰，如今的工藝技術可以把晶體管做到只有幾個納米小，一個納米大約是十個原子的厚度，可以說是進入了微觀世界，在微觀體系下，電子有量子隧穿效應，可以直接穿過開關，這就導致了經典計算機晶體管無法再縮小。

上世紀80年代，費曼第一次提出量子計算的概念，把量子力學和計算機結合起來。很長一段時間內，科學家和工程師們為了追求更高的算力，不停地縮小經典計算機晶體管，不斷提高集成度以換取更高的算力。經典計算機幾十年來一直遵循摩爾定律，每18個月晶體管集成度提升一倍，算力也提升一倍，但現在無法繼續了。因此他提出，為什么要長期遏制量子效應的發生，而不是直接用量子力學原理改善下一代計算機體系？

圖片來源：JARA在半導體上做量子計算，類似于放棄三峽大壩的現有結構，不再建一個個水壩，而是建一個個水庫，用量子點建一個個很小的區域在里面，并且把所有電子都排空，然后可控的往里面扔一個電子。原來的經典計算機是電流通和不通的狀態，現在則是從電流里抓取一個電子放到量子點上，然后把0和1編譯在電子的自旋上面，可以簡單理解成地球儀自轉，左轉右轉分別表示0和1，是兩種狀態，但是如果把地球儀的兩個卡點去掉，它還可以上轉、下轉或斜著轉，這就是量子的疊加狀態，可以位于0到1之間的狀態，不像經典計算機只能位于0或1，量子計算機每一個比特的狀態都可以位于0和1之間。量子計算有天然的并行運算能力，從編碼上實現天然的并行運算可以指數級提升算力。Q3量子計算的顛覆性究竟體現在哪里？量子計算機有兩個著名的算法，其中一個是量子計算的shor算法，也叫大數分解，對于經典計算機來說，713是哪兩個質數相乘得到的，這個計算還不是很難，但如果是291311，就很困難了，不過對量子計算機來說這很容易。現在很多加密都基于大數分解，編譯密碼的人很清楚是哪兩個質數相乘得到的這個數，但反過來，把大數分解成兩個質數就很困難，這就是大部分密碼所使用的RSA體系。目前最長的密碼使用二進制可以加到1000多位、2000多位，如果讓經典計算機去破解這樣的密碼可能需要幾百年，甚至幾千年，還是全球計算機加起來的基礎上。但如果有一臺成熟的量子計算機，那么可能幾分鐘就解決問題，因為它的 shor 算法決定了能很快地解決這一類數學問題。

人類目前還面臨很多需要更強算力解決的問題，比如金融行業優化組合高頻交易問題，生物醫藥方面新藥研制問題，目前研究一款新藥要幾十年，成本非常高。新冠疫情下，我們接種的疫苗也未必是最優解，但是未來使用量子計算機，可能幾周或者一兩個月就能研制出最優解的藥物，包括未來智慧城市有幾十萬輛車，幾百萬個信號燈的情況，怎么控制城市交通不擁堵，這些都是需要算力的經典場景，也是未來量子計算顛覆性的體現。Q4量子計算機會完全取代經典計算機嗎？

這是一個非常大的誤區，至少從人類現有的知識水平來看，量子計算機和經典計算機在處理問題的領域上是不同的，量子計算機更擅長處理海量數據并行運算、矩陣運算、線性代數等問題，但計算加減乘除就未必有經典計算機快，量子計算機一般用來解決需要超大算力的問題，未來量子計算機替代的更多是現在需要用超算解決的問題。

從另一個層面看，人類目前還處于經典計算機的世界，大家通過互聯網直播的方式，可以看到我的樣子，聽到我的聲音，這都是確定的狀態。但在微觀體系下，量子狀態是不確定的，所以量子計算機的交互最終還是要通過經典界面或經典計算機去呈現，并反饋給人類，這也正是經典計算機存在的價值之一。未來的 5 到 10 年，量子計算機更像是經典計算機的補充或加速器，例如新藥研制、氣象問題等就需要交給量子計算機去處理，但日常問題使用手機或電腦就可以解決。

Q5為什么說量子信息技術是第二次「量子革命」？第一次量子革命早已和我們的生活息息相關，量子力學本身就已經在服務于人類了，只不過利用的是量子力學在宏觀體系下的原理，例如基于量子力學理論創造的經典計算機中的半導體、激光等。第二次量子革命最典型的體現是人類真正意義上控制微觀體系下的粒子，使用現有技術抓取電子、原子，甚至通過制作原子來完成某些操控任務。另外，第二次量子革命還體現在信息領域，包括以量子保密通信、量子精密測量，和量子計算為主要方向的三個領域。Q6量子計算機未來的發展階段？第一階段是 2010年到2020年，谷歌、IBM 進入量子計算領域，這十年時間是量子計算原型機的研制和開發，將零配件進行組裝，讓機器能夠完整運行。IBM 和谷歌在2016、2017年完成原型機組件工作，本源量子是在2020年完成的。第一階段中國和一些發達國家，以及很多研制量子計算的國家都已經相繼達到了這個水準。

第二個階段是2020年到2030年左右，專用量子計算機的時代。專用量子計算機是指解決特定問題，比如為新藥研制專門造的量子計算機，就只能解決藥物研制的問題，不能去解決其他問題。第二階段在硬件上需要快速提升的各個參數指標，例如更多的比特數，更長的比特相干時間、操作準確度等。

第三階段是2030年后，能夠解決各類問題的通用量子計算機的時代。要想使其達到通用級，首先要解決量子計算機糾錯容錯的問題，需要迭代更多的的時間和技術。