在1982年發(fā)表的一篇論文中，諾貝爾獎(jiǎng)得主費(fèi)曼認(rèn)為，在計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)內(nèi)在地就需要指數(shù)級(jí)增長的投入，而他給出的建議則是，使用量子計(jì)算機(jī)。費(fèi)曼相信，一臺(tái)基于量子力學(xué)現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)在模仿量子力學(xué)現(xiàn)象上有著近水樓臺(tái)先得月的先天優(yōu)勢——早在1980年，保羅·貝尼奧夫（Paul Benioff）就在論文里提到了基于圖靈機(jī)制造微量子力學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型的可能性。

1985年，牛津大學(xué)的大衛(wèi)·道勅（David Deutsch）在一篇論文里給出了量子計(jì)算的抽象模型，但是，此時(shí)大家的疑問還是，量子計(jì)算機(jī)究竟能解決哪些實(shí)際問題。7年后，道勅和理查德·約饒（Richard Jozsa）在論文里給出了他們的肯定答案：

“比起任何基于確定性算法的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)在解決問題上所花的時(shí)間要少得多；比起任何基于隨機(jī)算法的計(jì)算機(jī)的預(yù)期時(shí)間，量子計(jì)算機(jī)也相對(duì)更少?！?/p>

但是僅僅有量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，沒有算法支持的計(jì)算機(jī)無疑遠(yuǎn)遠(yuǎn)都只能停留在遐想階段，要讓所有人都真正信服量子計(jì)算機(jī)的巨大先進(jìn)性，他們還需要更具說服力的事實(shí)。

正是從20世紀(jì)90年代開始，量子計(jì)算的研究取得了前所未有的豐碩成果，在各大公司實(shí)驗(yàn)室和院校機(jī)構(gòu)的共同推動(dòng)下，量子計(jì)算從科學(xué)家論文中的設(shè)想、算法逐漸落實(shí)到到實(shí)際制造的機(jī)器上。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的休爾發(fā)表了論文，在里面向大家展示了他的量子算法分解大數(shù)的質(zhì)因數(shù)的速度如何領(lǐng)先于當(dāng)時(shí)的已知任何計(jì)算機(jī)——分解一個(gè)1000位的數(shù)字，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大約需要耗費(fèi)10京（《孫子算經(jīng)》載“萬萬曰億，萬萬億曰兆，萬萬兆曰京”）年的時(shí)間，而利用量子計(jì)算機(jī)的話，只需要20分鐘左右。

休爾的量子算法將會(huì)對(duì) RSA 等在內(nèi)的加密算法和系統(tǒng)造成了顯而易見的沖擊，在此以前，破解一個(gè) RSA 129位密碼需要8個(gè)月時(shí)間以及1600名計(jì)算機(jī)用戶，然而用量子算法破解 RSA 140位密碼也只要數(shù)秒的時(shí)間而已。

休爾的發(fā)現(xiàn)使得量子計(jì)算機(jī)掀起了一場的風(fēng)暴，不僅席卷了物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，讓他們感受到新的計(jì)算工具蘊(yùn)含的巨大潛力，亦使得包括之前一直相信使用 RSA 算法的國家部門和各公司開始認(rèn)真對(duì)待關(guān)注這個(gè)概念。

量子計(jì)算機(jī)第一次從科學(xué)家的象牙塔里走到了世人面前。

1995年，舒馬赫（Benjamin Schumacher）發(fā)表了論文，第一次提出了量子比特信息學(xué)上的概念，并創(chuàng)造了“量子比特”（qubit）的說法。

比特（bit）是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)的構(gòu)件，它只存在兩個(gè)狀態(tài)0或1之間，在量子計(jì)算機(jī)中，情況卻并非如此。量子力學(xué)告訴我們，量子具有疊加態(tài)的特性，因而，量子計(jì)算機(jī)中的比特——即量子比特——同時(shí)就有了0與1的狀態(tài)，它既可以是1，亦可是0?；诹孔悠叫?，我們可以將這兩種狀態(tài)看成是處于兩個(gè)不同宇宙里，那么，當(dāng)一個(gè)量子比特進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，實(shí)際上是處于兩個(gè)宇宙里的數(shù)值在同時(shí)執(zhí)行。

包含3個(gè)量子比特的寄存器

3個(gè)比特可以代表8種狀態(tài)，但是寄存器卻只能記錄其中的一個(gè)結(jié)果，而3個(gè)量子比特構(gòu)成的寄存器同時(shí)也具備了其線性疊加態(tài)效果，于是可以同時(shí)記錄8種數(shù)值結(jié)果。通過這樣一個(gè)簡單的例子就能看出來量子計(jì)算機(jī)驚人的計(jì)算能力，是同數(shù)目（設(shè)為n）比特構(gòu)成的經(jīng)典計(jì)算機(jī)的2n倍。

理論上來說，一個(gè)量子比特可以儲(chǔ)存的信息是無限的，當(dāng)被測量時(shí)，狀態(tài)滿足一些特定條件的量子比特才會(huì)釋出0或1那樣的結(jié)果，也就是說，測量會(huì)使得量子比特從疊加態(tài)坍縮，反之，量子比特中存儲(chǔ)的信息將始終處于動(dòng)態(tài)演化過程之中，并且，通過量子門就能讀取其中的信息。

假設(shè)我們?nèi)?shù)字15來作為要分解的對(duì)象，設(shè)它作N，隨機(jī)選一個(gè)數(shù)字設(shè)作X，并且1

我們將這個(gè)運(yùn)算結(jié)果列表如下：

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)上述取值的運(yùn)算結(jié)果呈現(xiàn)出（1，2，4，8，1，2，4，8……）的重復(fù)數(shù)列，我們將重復(fù)的頻次命為 f，那么這個(gè)運(yùn)算中，f 的取值就是4。

通過寄存器B中一系列復(fù)雜的運(yùn)算執(zhí)行，上述的f可以在量子計(jì)算機(jī)中獲得，得出的f值會(huì)帶入下列公式計(jì)算出一個(gè)可能的因數(shù)。得出的結(jié)果不會(huì)一定就是正確的，但是生成f值的量子干涉會(huì)反復(fù)嘗試對(duì)x進(jìn)行代換從而篩選出正確的結(jié)果并排除錯(cuò)誤的答案。

這就是休爾的量子算法的整體思路，它向科學(xué)界和大眾真正展示了量子計(jì)算的強(qiáng)大威力。

計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)最基本的問題就是非結(jié)構(gòu)化搜索，1996年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的拉夫·格羅夫（Lov Kumar Grover）在論文里提出了針對(duì)這一問題的量子算法。假設(shè)有 N 個(gè)黑箱，每個(gè)箱中包含確定的1或0，每次打開一個(gè)箱子記為一次搜索請(qǐng)求，那么如果我們想要尋找到包含1的箱子，那么最多講需要進(jìn)行N次請(qǐng)求，而格羅夫的算法則將其減少到了次。

量子計(jì)算機(jī)固然擁有眾多優(yōu)勢，但是這些基于量子力學(xué)上的特性也使得它本身較之經(jīng)典計(jì)算機(jī)更加不穩(wěn)定。和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、硬件并不一樣，量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)制造首先需要保證量子比特處于穩(wěn)定的相干疊加態(tài)的之中。

量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的能力是建立在量子相干態(tài)帶來的量子平行上的，一旦相干態(tài)中的量子比特在和外部環(huán)境發(fā)生量子糾纏之后會(huì)陷入退相干狀態(tài)，那么，此時(shí)的量子比特和傳統(tǒng)比特一樣只能表示一種狀態(tài)，也就是說，不穩(wěn)定狀態(tài)下的量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比喪失了最大的優(yōu)勢——1995年，休爾和安德魯·斯迪恩（Andrew Steane）分別獨(dú)立發(fā)表了量子糾錯(cuò)的規(guī)劃，試圖以此來解決量子計(jì)算機(jī)在退相干上的隱患。

無論是休爾還是格羅夫的量子算法實(shí)際上都是建立在量子線路基礎(chǔ)上的，而量子線路和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣也包含導(dǎo)線——這里的導(dǎo)線在廣義上還包括粒子、光子乃至地域傳送、時(shí)間演化等——和邏輯門，前者用來傳輸信息，后者則負(fù)責(zé)操作。

新紀(jì)元：各種量子算法出現(xiàn)

如果量子計(jì)算僅僅是停留在模仿經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法的地步的話，那么量子計(jì)算本身在信息儲(chǔ)存和操作具備的巨大優(yōu)勢就會(huì)僅僅被用來在計(jì)算復(fù)雜性理論（computational complexity theory）上留下一些成果，而現(xiàn)實(shí)的物理世界及問題則會(huì)被忽視。

于是，在基于量子線路基礎(chǔ)上的量子算法之外，還出現(xiàn)了其他的量子算法，而它們不僅確實(shí)能在一些應(yīng)用場景中超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，還能重新定義難解（intractability）和易解（tractability）問題的抽象概念。

• 絕熱算法(adiabatic algorithm)

2000年，MIT和東北大學(xué)（Northeastern University）的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了絕熱算法（Adiabatic Algorithms），2004年，該算法被證明在多項(xiàng)式意義上等價(jià)于線路模型。

• 基于測量的量子算法（Measurement-Based Algorithms）

和量子線路模型以幺正演化（unitary evolution）作為基本機(jī)制來操作信息不同，該算法只使用非幺正測量手段作為可計(jì)算步驟，這套算法演變稱兩個(gè)主要門類，一是隱形傳態(tài)下的量子計(jì)算（teleportation quantum computing），二是單向量子計(jì)算機(jī)（one way quantum computer）。在2003年，該算法被證明在計(jì)算復(fù)雜性理論問題上同樣等價(jià)于線路模型。

• 拓?fù)淞孔訄稣摚═opological-Quantum-Field-Theory Algorithms）

在2000年，有人已經(jīng)證明，該模型可以在標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)上被高效模擬，但是該算法的最大優(yōu)勢在于高容錯(cuò)性，而這就意味著大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的可能性。

1996年，賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）在論文里為費(fèi)曼曾經(jīng)提出的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想給予了肯定的答案，包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的任何量子系統(tǒng)都能通過程序化來模仿任意量子系統(tǒng)的行為，而且他還給出了對(duì)量子計(jì)算機(jī)的未來展望：

“各式原子、分子以及半導(dǎo)體制成的量子設(shè)備的出現(xiàn)預(yù)示著量子模擬即將成為現(xiàn)實(shí)。”

1997年，第一個(gè)基于量子計(jì)算機(jī)的核磁共振模型提出，下一年，核磁共振技術(shù)就運(yùn)用到了2量子比特位的寄存器中，而到了2000年，寄存器中的量子比特?cái)?shù)量在美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）手中增加到了7個(gè)。

和經(jīng)典計(jì)算機(jī)不一樣，量子比特并不天然存在，除了粒子阱之外，人們還嘗試了基于量子比特的偏振化光子、超導(dǎo)體、半導(dǎo)體以及拓補(bǔ)量子來作為量子比特，不斷地尋找最穩(wěn)定的量子比特載體。

2001年，IBM利用核磁共振技術(shù)激活7枚核自旋體使其成為量子比特，在成功運(yùn)行了上兆次之后，終于成功地將15質(zhì)數(shù)分解為3 × 5，量子計(jì)算機(jī)第一次將使得量子計(jì)算變成了現(xiàn)實(shí)——整整10年之后，中國的科學(xué)家利用4個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)了分解143。

2005年，人們成功地在粒子阱中控制住了8個(gè)量子比特，到了2010年，人們已經(jīng)可以在粒子阱中制造出14個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特。

到了2012年，早已經(jīng)不復(fù)往日風(fēng)光的 IBM 依然在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了驚人的成就，他們利用3D超導(dǎo)量子比特成功地使量子比特維持量子狀態(tài)的時(shí)間延長到100微秒（μs，1微秒等于百萬分之一秒）——對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們而言，這微不足道的剎那時(shí)間已經(jīng)超過了量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效的糾錯(cuò)機(jī)制的最低時(shí)間，而他們則能把更多的精力放在提高量子計(jì)算機(jī)規(guī)模的工程問題上。

在量子計(jì)算風(fēng)起云涌的90年代，在IBM、貝爾實(shí)驗(yàn)室、MIT等各領(lǐng)風(fēng)騷的同時(shí)，一家4人聯(lián)合創(chuàng)辦的公司在遠(yuǎn)離量子計(jì)算研究應(yīng)用版圖中心的加拿大悄悄地成立了，此時(shí)正是20世紀(jì)的最后一年。

在之后的很長一段時(shí)間中，這家叫D-Wave的公司也并沒有引起多少人的注意和興趣，直到2007年，這家默默無聞的公司忽然推出了16位量子退火處理器原型獵戶座（Orion），而僅僅9個(gè)月后，他們又向外界展示了其27位處理器原型。

紅色為模擬退火算法，黑色為量子退火算法

D-Wave的量子退火算法的原理大體是這樣的：

和基于熱波動(dòng)原理的模擬退火（simulated annealing）不同的是，量子退火(Quantum annealing)利用了量子波動(dòng)。量子波動(dòng)使得量子具有穿透比它自身能量高的勢壘的能力，即量子隧穿效應(yīng)。量子退火通過模擬這一過程來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)化。

模擬退火算法要跳出局部最小點(diǎn)A到達(dá)全局最優(yōu)點(diǎn)B只能采用翻越勢壘的方式實(shí)現(xiàn)，因此以一定概率暫時(shí)接受較差的當(dāng)前解成為必須。量子退火算法則利用量子隧穿效應(yīng)，可以直接從 A 點(diǎn)穿透勢壘到達(dá)B點(diǎn)。因此，量子退火可能在某些問題上具有比經(jīng)典模擬退火算法更好的性能。

這家公司就像一個(gè)粗魯而強(qiáng)壯的野蠻人一般風(fēng)風(fēng)火火地撞進(jìn)了由實(shí)驗(yàn)室和象牙塔里的科學(xué)家們經(jīng)營維護(hù)的秘密花園，然后大無畏地蕩滌一切，兀自平靜地看著那群目瞪口呆猝不及防的人們。

加州大學(xué)伯克利分校教授阿麥?zhǔn)病ね邼衫誓幔║mesh Vazirani）這樣評(píng)價(jià) D-Wave 和他們的原型產(chǎn)品：“一個(gè)16位的量子計(jì)算機(jī)只比手機(jī)的處理器強(qiáng)一些，很難說它代表了什么實(shí)用突破……即使 D-Wave 的‘量子計(jì)算機(jī)’的確是真的量子計(jì)算機(jī)，就算它有上千個(gè)量子比特，它也不必一部手機(jī)強(qiáng)上多少。”

然而，4年之后，這家公司推出了運(yùn)行128位的一體量子計(jì)算機(jī)D-Wave One，代號(hào)“雷勒”（Rainier）的處理器主要用來解決優(yōu)化問題，這被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)商用化的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其售價(jià)將近1000萬美元。推出這臺(tái)機(jī)器之后僅僅4天，洛克希德·馬丁公司就和D-Wave簽署了一份購買其機(jī)器、維護(hù)服務(wù)的長年合同。

對(duì)D-Wave的懷疑并沒停息，一支研究團(tuán)隊(duì)表示，D-Wave One里的量子退火在運(yùn)算速度上并沒有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快上多少。

但是，對(duì)D-Wave批評(píng)質(zhì)疑的局面并非一成不變。

MIT的教授斯科特·艾倫森（Scott Aaronson）自稱“懷疑 D-Wave 者扛把子”（Chief D-Wave Skeptic），早在2007年他就宣稱D-Wave原型機(jī)展示“什么都沒法證明”。

隨著D-Wave One的推出以及更多關(guān)于支持D-Wave的研究——其中就包括發(fā)表在《自然》（Nature）上的論文——的出現(xiàn)，艾倫森也漸漸改變了自己的傾向，盡管依然堅(jiān)持自己的質(zhì)疑，但是，他最終還是表達(dá)了對(duì)D-Wave的祝賀，并宣布“從‘懷疑D-Wave者扛把子’任上退休”：

“過去4年來，大家一直要量子計(jì)算群體去評(píng)價(jià)一家只有冷水和餐盤的食肆，現(xiàn)在我很高興看到 D-Wave 終于端上了開胃菜?！?/p>

2012年，D-Wave推出了代號(hào)“維蘇威”（D-Wave）的512位量子計(jì)算機(jī)D-Wave Two，同一年，這家公司和 Google、NASA合作在埃姆斯研究中心（Ames Research Center）組建了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室（Quantum Artificial Intelligence Lab）。

不同的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)D-Wave的能力有著幾乎截然相反的評(píng)價(jià)，有人認(rèn)為，在解決某些問題上，它的機(jī)器的最快運(yùn)算速度是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的3600倍，而另外一些實(shí)驗(yàn)則顯示，在解決Prog-QAP問題上，普通單核桌面處理器的速度最多是D-Wave的1.2萬倍，在處理Prog-QUBO問題上，前者最多是后者的160倍。

實(shí)際上，D-Wave對(duì)自己的機(jī)器有著清晰的界定：

這臺(tái)機(jī)器并非通用量子計(jì)算機(jī)，僅僅只用運(yùn)行優(yōu)化算法；

這臺(tái)機(jī)器的量子比特是有噪的，在容錯(cuò)閾值之下是無法運(yùn)行的；

并沒有大規(guī)模的量子糾纏；

一些良好調(diào)整的經(jīng)典優(yōu)化算法有時(shí)能超過D-Wave Two。

D-Wave 2X 量子計(jì)算機(jī)。 （Photo by Stephen Lam/Reuters）

在不斷的爭議和批評(píng)中，D-Wave在2015年發(fā)布了他們基于“喀邁拉圖”（chimera graph）架構(gòu)的新一代1152位（實(shí)際上并沒達(dá)到）量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng) D-Wave 2X。

一年之后，IBM推出了自己的5位量子計(jì)算機(jī)處理器，而正如它始終強(qiáng)調(diào)而D-Wave 欠缺的那樣，這是一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)，盡管藍(lán)色巨人已經(jīng)顯出傾頹跡象，但是它依然給自己的量子計(jì)算列出了未來10年周期的開發(fā)計(jì)劃——在之后10年里開發(fā)出50~100位的量子計(jì)算機(jī)。IBM研究院總監(jiān)阿爾文德·克里希納（Arvind Krishna）這樣說道：

“量子計(jì)算機(jī)和今天的計(jì)算機(jī)非常不一樣，不只是因?yàn)闃幼踊蚴裁醋龀傻?，更重要的在于量子?jì)算機(jī)能做的事情。”

未來將至，巨頭公司入局

在D-Wave的一份官方PPT中，公司的CTO喬迪·洛斯（Geordie Rose）認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)最具顛覆性和吸引力的就是在分子維度上模擬自然，它在制藥、化工還有生物科技等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用，由此，量子計(jì)算可以撬動(dòng)涵蓋上述3個(gè)總價(jià)值3.1萬億美元的市場。

這是10年前他在斯坦福大學(xué)演講時(shí)的期許。

回顧歷史，在麥克斯韋的19世紀(jì)，電磁物理推動(dòng)了電力的發(fā)展，使得人類社會(huì)的文明程度上升到前所未有的地步，毫無疑問推動(dòng)了工業(yè)和商業(yè)的進(jìn)步?；厥走^去一百多年，戰(zhàn)爭結(jié)束后，包括太空探索、計(jì)算機(jī)、核能開發(fā)等技術(shù)革命幾乎都與量子力學(xué)有關(guān)，而這些技術(shù)最終也無一例外地反過來促進(jìn)了民用和商業(yè)。

量子計(jì)算研究的成熟和繁榮也毫無疑問地有著這樣的效應(yīng)。

早在2002年，就有了第一家從事量子鑰分配的商業(yè)公司ID Quantique，10多年后，黑莓創(chuàng)始人邁克·拉扎里德斯（Mike Lazaridis）成立了1億美元的風(fēng)投基金投資量子計(jì)算，下一年，英國政府宣布投入2.7億英鎊來支持量子技術(shù)的研究和商業(yè)化。

現(xiàn)在，量子計(jì)算應(yīng)用最深入、最具現(xiàn)實(shí)性的領(lǐng)域毫無疑問地是在通信方面。

早在1970年，斯蒂芬·威斯納就提出了“量子錢”（quantum money）的概念，最早利用量子的測不準(zhǔn)性來進(jìn)行加密，直到1983年這一設(shè)想才得以以論文的形式公諸于世，在威斯納思路的啟示下，BB84協(xié)議問世。

量子通信的基本原理是這樣的，收發(fā)雙方的信息內(nèi)容是可以被編譯成光子偏振的，信息發(fā)送者利用隨機(jī)偏振發(fā)送信息，接受信息者發(fā)現(xiàn)并記錄下信息。然后，發(fā)送者在公頻告知接受者偏振頻率，兩者按照正確的偏振比對(duì)選擇的信息部分。如果在信息收發(fā)過程中有竊聽者并試圖轉(zhuǎn)發(fā)信息的話，那么傾聽者有一半的機(jī)會(huì)獲得正確的信息。

由于接受者獲得的信息中有一半是錯(cuò)誤的，他可以在公頻中將這些錯(cuò)誤信息和發(fā)送者選取隨機(jī)信息對(duì)比，然后重復(fù)收到錯(cuò)誤、對(duì)比的過程，直至得出正確的完整信息。也就是說，在整個(gè)信息收發(fā)過程中，要做到隱瞞收發(fā)雙方竊聽信息是不可能實(shí)現(xiàn)的。

正是基于上述的原理，量子通信可以最大限度地保證用戶的隱私和信息安全，也正因?yàn)檫@樣，量子通信在國家信息安全層面有著越來越迫切的現(xiàn)實(shí)需求，從根本上來說，這也是包括中國、美國及歐洲紛紛跟進(jìn)的原因。

1992年，本內(nèi)特和威斯納共同提出了超密編碼協(xié)議（super-dense coding protocol），利用一個(gè)無噪纏繞比特信道和一個(gè)無噪量子比特信道模擬出了兩個(gè)無噪經(jīng)典比特信道，次年，本內(nèi)特等六人發(fā)表的論文提出了隱形傳態(tài)協(xié)議（teleportation protocol），利用兩個(gè)經(jīng)典比特信道和一個(gè)纏繞比特實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子比特的傳輸。

這兩個(gè)協(xié)議的提出奠定了整個(gè)量子信息理論的基礎(chǔ)，向我們展示了經(jīng)典通信源和量子通信源結(jié)合、有噪通信源和無噪通信源結(jié)合的可能性。在隨后20多年的時(shí)間里，量子通信開始受到各國的重視并快速進(jìn)入應(yīng)用階段。

1993年，英國率先在10公里的光纖中實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)，4年之后，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)記錄地在48公里的地下光纖完成了量子密碼本的傳輸，1999年，日本和瑞典合作完成了40公里光纖的量子密碼通信。

中國在量子通信領(lǐng)域發(fā)表的論文遙遙領(lǐng)先于其他國家地區(qū) （來源：博客）

2000年，中國在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實(shí)驗(yàn)，到2004年，中國科學(xué)家在北京與天津之間成功實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分配，2005年，中國創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2009年，成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，同年8月，在合肥構(gòu)建了全球首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信。2010年，中國成功實(shí)現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳輸，比原世界紀(jì)錄提高了20多倍。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院以及北京郵電大學(xué)在論文發(fā)表數(shù)量上有著巨大優(yōu)勢。 （ 來源：博客）

在中國這個(gè)市場最大、資源最雄厚的地方，量子計(jì)算如野火一般燒遍各個(gè)領(lǐng)域，為焦土中的萌芽積攢下最肥沃的養(yǎng)料。尤其是在量子通信方面，中國在研究、應(yīng)用方面所獲得的成就全面領(lǐng)先于其他國家地區(qū)。除了墨子號(hào)的發(fā)射之外，現(xiàn)在，北京和上海之間建造的長約2000公里的“京滬干線”是世界上第一條量子通信網(wǎng)絡(luò)。

與此同時(shí)，在通信之外的領(lǐng)域，量子計(jì)算同樣也有著誘人的吸引力。

在航空領(lǐng)域，洛克希德·馬丁之所以采購 D-Wave 的機(jī)器，就是因?yàn)橄扔械慕?jīng)典計(jì)算機(jī)在進(jìn)行飛機(jī)軟件實(shí)驗(yàn)時(shí)往往力不從心，無法應(yīng)付大量繁復(fù)的數(shù)據(jù)。同樣的道理，NASA 也早早意識(shí)到了量子計(jì)算在分析外太空行星軌道數(shù)據(jù)方面的巨大優(yōu)勢，也早早地和 D-Wave 建立起了合作關(guān)系。

在天氣氣候方面，量子計(jì)算也有著讓人期待的表現(xiàn)，在處理計(jì)算大規(guī)模數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢使得人們對(duì)于天氣氣候模型的認(rèn)識(shí)了解更深入及時(shí)的話，那么就能帶來更準(zhǔn)確的天氣氣候預(yù)報(bào)，而更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)必然提高自然氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)防力度和治理效率，實(shí)際上密切關(guān)系著人們正常的生活工作。Google 的工程總監(jiān)曾經(jīng)如此評(píng)價(jià)道：“我們相信量子計(jì)算可以解決許過最具挑戰(zhàn)性的計(jì)算機(jī)科學(xué)問題……如果我們想創(chuàng)造更有效的環(huán)境政策，我們就需要更好的模型來了解氣候究竟發(fā)生了什么。”

在制藥、生物科技方面，量子計(jì)算儼然一副救世主的面貌。這些行業(yè)推出一款可上市產(chǎn)品必然會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漫長的實(shí)驗(yàn)分子結(jié)合的過程，而往往這些實(shí)驗(yàn)又以失敗告終，因此，通過量子計(jì)算來節(jié)省大量的時(shí)間和成本不僅有利于這些公司的商業(yè)訴求，反過來也能極大地降低抗癌藥等高價(jià)藥的成本，最終幫助到普通病患。而在可以預(yù)見的未來，基因?qū)蛹?jí)的分析實(shí)驗(yàn)等必然會(huì)成為醫(yī)學(xué)研究的主要方向之一，而這同樣需要借助到量子計(jì)算的力量。

事實(shí)上，量子計(jì)算同樣能夠推動(dòng)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等的演化進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)高科技技術(shù)之間的協(xié)同效應(yīng)。

1999年，阿拉姆·哈羅（Aram W. Harrow）、阿維納塔·黑斯登（Avinatan Hassidim）及賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）共同發(fā)表論文提出了一種嶄新的量子算法以解決線性方程式系統(tǒng)，經(jīng)典算法所需要的時(shí)間為O（Nk)，而該算法能將時(shí)間縮短至O(log(N)k2)。

機(jī)器學(xué)習(xí)就是識(shí)別系統(tǒng)中數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來的趨勢，其主要任務(wù)就是在高維向量空間（high-dimensional vector spaces）里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操控和分類，經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的算法受制于數(shù)據(jù)量和空間維度所決定的多項(xiàng)式時(shí)間，而量子計(jì)算機(jī)則能通過利用張量積的空間（tensor product spaces）來操控高維向量。

這上述被稱之為 HHL 的量子算法正好可以施用于支持向量機(jī)（support vector machine），而羅伊德參與的另一篇論文指出，所有的量子支持向量機(jī)都能被用作進(jìn)行大數(shù)據(jù)分類，而且較之經(jīng)典計(jì)算機(jī)在速度上有顯著的優(yōu)勢。

而今，自動(dòng)汽車、自動(dòng)駕駛、腦機(jī)交互、自然語言處理乃至線上廣告、搜索引擎、推薦系統(tǒng)等都是機(jī)器學(xué)習(xí)的熱門領(lǐng)域，從這一點(diǎn)來說的話，我們可以毫不夸張地說，量子計(jì)算實(shí)際上決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook等公司在未來的發(fā)展方向和趨勢。

實(shí)際上，如果我們留意墨子號(hào)報(bào)道的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在中國的量子衛(wèi)星項(xiàng)目中，阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站也是地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分。

而早在2015年，阿里巴巴就與中國科學(xué)院聯(lián)合成立了量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。

根據(jù)他們的規(guī)劃，到2025年，量子模擬將達(dá)到當(dāng)今世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的水平，初步應(yīng)用于一些目前無法解決的重大科技難題；到2030年，研制具有50~100個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算原型機(jī)，自主研發(fā)物理層設(shè)計(jì)、制造及算法，全面實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算功能，并應(yīng)用于大數(shù)據(jù)處理等重大實(shí)際問題。

除了處理購物網(wǎng)站頁面搜索、購買、交易等方面產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)之外，對(duì)這家中國目前市值最高的互聯(lián)網(wǎng)公司而言，量子算法最大的價(jià)值和意義在于更好地利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生更大的效益。

從金融、共享經(jīng)濟(jì)再到文娛產(chǎn)業(yè)，所有的這些產(chǎn)品與服務(wù)實(shí)際上都和中國互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)息息相關(guān)，而中國的互聯(lián)網(wǎng)用戶又是全世界最龐大最復(fù)雜的群體，要優(yōu)化甚至商業(yè)化這些數(shù)據(jù)，僅僅依靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)或者經(jīng)典算法或許還能應(yīng)付當(dāng)前的局面，但要如阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人所言成為橫跨3個(gè)世紀(jì)的百年企業(yè)的話，它無疑需要更具前瞻性和戰(zhàn)略性的技術(shù)作為儲(chǔ)備和殺手锏。

對(duì)它而言，對(duì)Google、微軟、特斯拉等公司而言，它們都是抱著同樣的心理。

而這亦是促使從我們這個(gè)漫長故事開頭的奧斯特到麥克斯韋再到普朗克、玻爾以至圖靈、休爾、格羅夫到今天的潘建偉等人成為時(shí)代風(fēng)云人物的原因。

如果說量子計(jì)算時(shí)代已經(jīng)到來的話，我們不得不說，至今我們依然沒有一臺(tái)真正公認(rèn)的量子計(jì)算機(jī)問世；如果說量子計(jì)算時(shí)代還很遠(yuǎn)的話，我們又必須承認(rèn)，利用量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)生的成果正越來越多地應(yīng)用到我們的生活之中去。

這是量子計(jì)算的故事，也是歷史的故事。

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