本文来自微信公众号：金捷幡（ID：jin-jiefan），作者：金捷幡，题图来自：视觉中国
《达芬奇密码》和《天使与魔鬼》里的主角兰登教授(汤姆·汉克斯饰)，是丹布朗一套系列书的核心人物。这套书最新的一本叫《本源》(Origin)。
在《本源》一开始，千亿富翁埃德蒙宣布自己的科学发现，将使三大宗教土崩瓦解。而书中和兰登教授搭档的主角，是名叫E-Wave的量子计算机。
在这本书中，嵌入了特斯拉汽车的广告。而E-Wave大概率是加拿大公司D-Wave的广告。
2011年，D-Wave成为世界上最早商用量子计算机的公司。直到今天，D-Wave在实用量子计算领域仍一马当先。
一、科研投入
量子大概是科研界吹牛的重灾区。但更神奇的是，有时很难说清楚他们是在吹牛还是说谎。
各种媒体都很喜欢报道，谁霸权了谁又超越了霸权，某某量子xxx能一下子算出来传统计算机几亿年都算不出来的题，互联网危在旦夕。
但我觉得，很多记者并不知道自己在说什么。
也许，谁能拿到经费才是关键。
关于研发经费来自政府还是私营公司，倒是个有趣的事。
据Quantum Insider/光子盒统计，中国关于量子的财政拨款(100亿)几乎等同世界其它国家的总和。而中国的量子科技公司数量只有15家(不含BATH)，不到欧美的5%。
排除政府投入，下图是《自然》杂志上关于私营公司投资量子技术的分布图，虽然数据稍微有点旧，但可以看出中外差别还挺大的。
二、量子科技的分类
量子科技的应用主要有量子计算和非量子计算两大类。我这样分类，估计你们也挑不出毛病。
欧美公司研发普遍集中在量子计算，而中国以及整个东亚更喜欢量子通信。
量子通信太神奇了，我也不懂，不是本文重点。反正他们说巨有用，估计效果至少比肩莲花清瘟吧。
关于量子计算的研究呢，虽然超级复杂，但仍可简单分为硬件和软件。
其中硬件需要很多实验物理学家和尖端工程师，还有很多很多贵重的高级仪器，门槛非常高。
量子计算的软件，也灰常灰常不一样，它需要很好的数学家和平庸的程序员。因为量子计算中的想法和算法是关键，经典计算机那套大多用不上。
接下来，我们开始展开少量技术内容。
三、量子算法
用来破解互联网公钥加密(RSA或ECC)的算法(分解质因数)，叫作Shor算法。它早已被Mr. Shor发表出来，但过了近30年仍没有能有效跑它的机器。
目前量子软件方面的研究大大超前于硬件，研究人员大多只能在模拟器上玩。
因为量子算法对目前非对称加密潜在的破解风险，业界这些年一直在研究量子计算机难以破解的加密算法(Post-Quantum Crypto)。
美国NIST(标准局)经过两轮筛选，选中了NTRU等7个主要算法和8个候补算法。据说在今年，会最终公布哪种算法胜出。八卦一下，第二轮淘汰了“三只熊”和“特斯拉”等多种算法，“括约肌”进入了第三轮。
据NIST说，对称算法如AES等暂不用考虑被量子破解，科普中吹嘘的Grover算法其实威胁并不大。
四、超导量子
那么，什么样的机器可以运行Shor算法呢？
量子计算的实现路径很多，目前在通用计算上走得最远的是超导和离子阱。
IBM和谷歌领头的超导量子计算，应该是最烧钱的方式。因为超导需要用一个大冰箱：世界上最贵的冰箱，用稀释制冷等复杂技术把温度搞到接近绝对零度(-273摄氏度)。
量子纠缠太容易被外界干扰了，即使在万物萧杀的绝对零度附近，超导量子比特的存活时间，只有微秒量级(百万分之几秒)。任何噪声情况下的计算都可能产生错误，科学家经常要用5个量子比特(qubit)来校正1个，这样宝贵的qubit需要更多。
IBM去年发布了业界最多的127个超导 qubits的“鹰”量子处理器，按其“吹牛”新闻稿其代表的量子态可以超过75亿人身上所有的原子数。但实际上其中大多数qubits是用来作校正的，并不能完全用来模拟。
按的IBM Roadmap，每年qubits数翻一番，再过10来年可以达到可以运算Shor的百万qubits，这就是传说中的量子摩尔定律。
“100个qubits的冰箱有一个房间那么大，那100万qubits需要多大的冰箱呢？”一个傻瓜问道。
砖家笑笑说：“你知道半导体最初多大吗？”
五、离子陷阱和天使粒子
通用量子计算在技术实现上有两大瓶颈，一个是刚才提到过的稳定性(噪声和纠错)，另外一个是可扩展性(100qubits到100万)。
为了挑战这两大障碍，离子肼是另外一个路径的尝试。Honeywell和IonQ是离子肼的领头羊。
离子肼的技术并不算新，很多原子钟用的就是这个技术，其量子的稳定性比超导要好得多。离子肼的另一个小优势是工作温度可以超导稍微高一点点，这能省很多钱。
离子肼很好玩，用激光把镱原子(Yb)的电子打掉变成离子(别问的我怎么做的:-)，带正电的离子可以用四面八方的正电势将其困在一个3D的空间内，这就是所谓“陷阱”。
困在同一个区域陷阱里的离子易于关联，保真度非常高，但缺点是计算速度比超导慢得多，并需要一个超级真空的环境。其量子状态的测量也依赖于极高精度的谐振激光。
总体来看，离子肼也绝非省钱的方案，工程难度非常大，不是大公司玩不起。
在通用量子计算方案中，英特尔的硅基量子和微软“拓扑粒子”进度更慢，似乎仍是下一代的技术。
拓扑粒子学名叫马约拉纳费米子，用它做量子比特能活100秒，抗干扰性极强，保真度比超导量子对多了4个9，简直像天使一样完美。
可惜，这种天使粒子一直在和人类藏猫猫。
六、鬼才D-Wave
那么，我们在引言中说的D-Wave是干啥的？他们为什么能比其它家早卖10多年？
因为D-Wave做的不是通用量子计算机：它不能执行Shor算法，所以不能用来破解加密。
但是，D-Wave的想法绝对来自于鬼才，在短短篇幅内讲明白它的原理挑战极大。
D-Wave完全抛弃了用量子比特组建运算门的思路，也不用诡异的量子纠缠，它认为大自然和宇宙法则比谁都聪明。
物理学的法则就是自动寻找最小能量状态：水会从雪山一直流到大海，热的东西一定会凉下来。
D-Wave把问题分解成常数和变量，赋值给量子比特，然后量子们会自动找到最优解自然叠加展现出来，因为最优解就是尽快达到能量最小的状态。
毕竟宇宙本身就是完全按量子法则运行的。
在《本源》里E-Wave告诉我们：宇宙喜欢让人类通过仇恨和战争自相残杀，以更快地消耗能量。
六、旁门左道
D-Wave的想法太过诡异，所以量子江湖中的武当少林开始都认为它的旁门左道：D-Wave里面含各种门的量子电路都没有，根本不是量子计算。
但是在极多变量的场景下选择最优的实战中，D-Wave展示了对经典计算机的碾压，并成功形成了围绕自己机器的软件和算法生态系统。
正好在此提一下，网上关于量子的科普是个误导重灾区，量子计算本身并不是他们说的大规模并行计算。实际上，量子比特并不能同时出现多种状态或者存储多个状态，它的状态更应该理解成是一个概率，而多个量子比特不同状态组合的概率是可以叠加的。
看看薛定谔方程，这些叠加是波的叠加，最后的概率是一个结果，不是n个结果。
不同变量的波振幅不同。量子比特可以代表的无数种状态，绝非科普里说的多了几种0和1的组合，因为每个波函数振幅不同，概率可以是21.526253%，也可以是0.000312%(举例)。这样，量子比特可以更好地模拟我们的世界，而那个解(结果)可以通过更适合量子的算法(波的干涉)，更快地收敛出来。
现在你们理解Wave(波)的意思了吧？D-Wave的机器被叫做“量子退火机”。
虽然D-Wave能用的算法非常有限，但业界逐步开始尝试用它来解决特定的产业问题，比如供应链物流路径选择、股票组合的选择和材料或药物分子组成选择等等，而这些正是各家千篇一律宣传量子计算的要点。
七、光量子
D-Wave在一定程度上的成功，也启发了一些相似理念的机器，其中最有名的代表是“相干伊辛机”(CIM)。CIM有点像用光做的神经网络，通过光脉冲耦合光子，用FPGA计算其相干退化的结果。
光子是一种完美的量子，具有常温下的稳定性，而且已经有了很多成熟的光学器件可以实现偏振调制、叠加和测量等。
近两年，光子作为量子计算的候选方案被突然加速。很多公司拿到了风投，其中的代表是加州的PsiQuantum和多伦多的Xanadu，我国也一下子多出好几家光量子公司。
光量子计算似乎很适合成为小型初创公司的赛道，因为没有超低温和超短存活时间等那些需要巨额投入的环节，而且光半导体器件的制作也相对成熟。
不过因为用光的低门槛，各种机构经常夸大自己的进展：有些只是做简单“采样”和“测量”，有些故意不说明自己是做CIM还是做通用量子计算，这让局外人非常困惑。
甚至有些直接把光学实验叫量子实验，这种宣传和量子减肥有异曲同工之妙，从法律上和物理学上都挑不出毛病来。
PsiQuantum和Xanadu都宣称，五年内实现100万qubits的机器。如果它们都是通用量子计算的话，IBM和Honeywell要哭死了。
我并没有说他们在说谎，这些光量子的PPT和论文看起来确实挺有道理的。但工程实现并不是纯科学，现在并没有什么好办法来判断哪些吹的牛最终有可能成真。
八、究竟哪家强？
几家大厂推出量子体积的概念来衡量量子计算机的算力，但这只是一个并不成熟的简单加权打分，其实并不能公正评价各家不同架构机器。
几乎所有公司或机构都在夸大自己的成果，但又很难找到细节。绝大多数机器并不让你玩，藏在各种云后面的量子计算机很多只是模拟器。
也许在很远的未来，会有Awesome Wang那样的第三方评测，测试每家量子计算机跑每种算法的速度。
但眼下没有谁能买得起做开箱小视频，所以估计多是厂家赞助的小软文。
倒是所有厂商都承认，量子计算绝对不会取代硅基经典计算机，它只会被用于特定用途：那些量子算法有绝对优势(supremacy)的领域。
量子圈子互相揭短的事好像并不多，毕竟在现阶段量子计算仍是一个极少数人参与的科研领域。德高望重的人互相也会留面子，一起炒热度把饼做大更符合团体利益。
大家都在说：硅基摩尔定律走到头，刚好量子计算能接上。
免责声明：本文发表于愚人节。
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