2018年02月05日 | 对于这场量子力学的“迷你曼哈顿计划”，你怎么看？

　　谷歌微软又在“搞事情”，这一次是量子计算。据外媒报道，谷歌和微软将于近期宣布在量子计算领域的重大突破。下面就随嵌入式小编一起来了解一下相关内容吧。

　　什么是“量子世界”?

　　对于绝大部分吃瓜群众来说，所见的物质世界已经超越了人脑的负荷。但总有那么一小撮太过卓越的人类，在人类无法用感官感知的，普通人连概念都无法认知，难以想象的复杂领域游刃有余。

　　量子世界，就是这样一个领域。

　　量子一词最早来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”，用在物理学概念上则最早由德国物理学家M·普朗克在1900年提出。自提出以来，经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善，20世纪前半期初步建立了完整的量子力学理论体系。

　　爱因斯坦是第一个意识到普朗克关于量子的发现将要改写整个物理学的物理学家。为了证明他的观点，1905年，他提出光的行为有时像粒子，称这些粒子为“光量子”，现在这个词被称为光子，这个假说导致了光同时具有粒子和波的特性。

　　玻尔刚开始一直是光量子假说的最坚定反对者之一，直到1925年才接受这个观点。此后，量子力学革命在爱因斯坦和玻尔的研究方向上展开。

　　德布罗意的人生阅历颇为丰富，年少时是文艺青年，酷爱文学和历史，并在1910年获巴黎索邦大学文学学士学位。然而，原本成为一名历史学家的计划，却在一次关于光、辐射、量子性质等问题的讨论后改变，这场讨论激起了他对物理学的强烈兴趣。其后，他在量子力学上的成绩得到了爱因斯坦的肯定，其将光的波粒二象性观念进行了扩充，包括运动粒子。

　　1925年，海森伯提出矩阵力学，彻底废除了牛顿力学中的经典元素。1926年，玻恩提出量子力学应该被理解为没有任何因果联系的概率。1927年底，海森伯和玻恩在索尔维会议中宣布由爱因斯坦和玻尔掀起的量子力学革命结束。至此，量子力学正式成为一门学科。

　　薛定谔的主要贡献是在德布罗意物质波理论的基础上建立了波动力学，其中最为人所知的是“薛定谔的猫”思想实验，试图证明量子力学在宏观条件下的不完备性。然而，这个薛定谔本想要挫败量子力学的实验，却成为教授量子论的经典比喻，进而还延伸出平行宇宙等物理问题和哲学争议。

　　与薛定谔同时期，因为发现在原子理论里很有用的新形式，即量子力学的基本方程，狄拉克以“狄拉克方程”与薛定谔共享了1933年的诺贝尔物理学奖。

1927年布鲁塞尔第五届索尔维物理会议与会者合影(取自网络)

　　前排左起：朗缪尔，普朗克，居里夫人，洛伦兹, 爱因斯坦, 郎之万, 古耶, 威尔孙, 里查森

　　中排左起：德拜, 努森, 小布拉格, 克拉默斯, 狄拉克, 康普顿, 德布罗意, 玻恩, 玻尔

　　后排左起：皮卡德, 昂里奥, 埃伦费斯特, 赫尔岑, 德敦得尔, 薛定谔, 维沙菲尔特, 泡利

　　普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论、玻尔的原子理论、德布罗意物质波概念、海森伯矩阵力学、薛定谔和狄拉克量子力学基本方程……

　　通过这些创始者的努力，最终究竟证明了什么?

　　量子力学并没有支持自由意志，只是于微观世界物质具有概率波等存在不确定性，不过其依然具有稳定的客观规律，不以人的意志为转移，否认宿命论。

　　首先，在微观尺度上，随机性和通常意义下的宏观尺度之间仍然有着难以逾越的距离;其次，这种随机性是否不可约简难以证明，事物是由各自独立演化所组合的多样性整体，偶然性与必然性存在辩证关系。

　　量子计算机是怎么诞生的?

　　20世纪注定充满冲突，当西方已经开启现代科技和政治文明，东方不少地区仍处于冷兵器和旧制度的落后体制中。力量对比的严重失衡导致地缘冲突不断，加上资本经济的固有周期弊病、弱肉强食的分赃不均、极端政治的大范围兴起，世界大战一触即发。

　　虽然说科学无国界，但科学家却有各自的政治理念。二战开始，海森伯留在德国为纳粹效力，负责领导研制原子弹的技术工作。而爱因斯坦、波尔则参与了同盟国以奥本海默领导的曼哈顿计划。这一计划的结果除了众所周知的两颗原子弹，汇聚千余世界顶级科学家的工程，当然还有更多的故事，理查德·费曼作为曼哈顿计划天才小组成员之一，加入时还不到25岁，而他提出的费曼图、费曼规则和重正化的计算方法，则成为了研究量子电动力学和粒子物理学所不可缺少的工具。

　　基于这些理论基础，理查德·费曼最早提出了量子计算机的概念设想。

　　而事实上，一直到80年代，量子计算机都处在理论推导状态。在这期间，理查德·费曼1982年提出了利用量子体系实现通用计算的想法，1985年大卫·杜斯则提出了量子图灵机模型。

　　直到1994年彼得·秀尔提出量子质因子分解算法，因其对于通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁，量子计算机开始变成热门话题。

　　2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机，但其作用仅限于解决一些最优化问题，与科学界公认的能运行各种量子算法的量子计算机仍有较大区别。此时，D-Wave公司的“迷你曼哈顿计划”正式开启。

　　2009年11月15日，世界首台可编程的通用量子计算机在美国诞生。同年，英国布里斯托尔大学的科学家研制出基于量子光学的量子计算机芯片，可运行秀尔算法。

　　直至目前，量子计算机相较于经典计算机的优越性主要体现在：1、量子叠加，同时表示0和1;2、量子并行计算,可同时对2^n个数进行数学运算，相当于经典计算机同时进行2^n次操作。

　　对于量子计算机可以实现的计算量，费曼有一个经典的应用场景描述：如果被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”，这几乎是不可能的，因为国会图书馆有5000万册书。但是如果处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，那么肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。

　　在这个假设中，普通计算机就像是前一种情形中的“疯子”，需要在5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能复制出5000万个人，每个只需翻找一本书即可。

　　“谷歌们”到底在做哪些研究?

　　即使量子计算机在2009年诞生，但因为离实际应用还有很大距离，其影响力主要是在学术、科研机构、巨头科技公司，以及各国的技术研发比拼上。

　　2010年3月，德国超级计算机成功模拟42位量子计算机;2011年4月，澳大利亚和日本的科研团队在量子通信方面取得突破，实现了量子信息的完整传输;同年9月，科学家证明量子计算机可以用冯·诺依曼架构来实现;2012年2月，IBM声称在超导集成电路实现的量子计算方面取得数项突破性进展;2013年5月，D-Wave宣称NASA和Google共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。

　　关于NASA和Google的合作，NASA的希望是量子计算机能被用于发现新的类地行星，或者应用到星际航行。而“发明大王”谷歌则希望量子计算机可以解决创造性的问题，前面提到，经典计算机无论在运算属性还是运算速度上都差强人意。此外，量子计算机还可以让机器学习方面取得不可估量的巨大进步。

　　目前，谷歌和NASA买下的这台D-Wave Two据说被锁在一个巨大的黑盒子中，因为量子需要在绝对低温中才能有更快的运行速度，所以这个黑中的温度几乎达到绝对零度(零下273.15摄氏度)，同时，盒内完全黑暗且安静。

　　在去年9月举办的Ignite大会上，微软展示了拓扑量子位以及硬件软件生态系统开发方面取得的进展，发布了为驾驭规模化量子计算机而专门优化的新的编程语言，让开发者能够编写量子程序，在当前的量子模拟器上调试，并能够在未来真正的拓扑量子计算机上运行。

　　虽然仍未开发出可运行的量子位，但微软量子团队主管霍尔姆达尔在近期表示，微软现在已经“十分接近”宣布实现这一突破。

　　对于D-Wave的联合创始人和首席科学家埃里克·勒迪辛斯基来说，他要在10年，而不是50年造出一台量子计算机，这对于他来说是一项“迷你曼哈顿计划”。

　　然而，质疑声也没有消停过。有专家至今认为，还需要几十年才会出现真正应用量子力学原理的计算机。有计算机专家提醒说，也许目前所谓量子计算机的处理器确实很快，但仍然是在障眼法的演示下应用了传统科技。更有如MIT量子物理学家斯科特·阿伦森自称是D-Wave的首席批评家，他的公众言论一直强调，没有直接证据说明D-Wave的量子处理器是以量子力学的方式运行的，即使有谷歌和NASA的背书。

　　无路如何，这次“迷你曼哈顿计划”看起来还是有巨大前景，别忘了D-Wave最初可是由亚马逊的贝佐斯和中情局共同进行战略投资。

　　“量子霸权”竞争激烈，最终谁会胜出?是21世纪的“发明大王”谷歌?老牌“软件帝国”微软?电商跨界者亚马逊、IBM、英特尔，亦或是D-Wave?

　　或者还有别的可能。

　　暨破比特操纵记录后 潘建伟团队完成首个TDA算法验证演示

　　去年5月，中国科学技术大学潘建伟院士在上海宣布，我国科研团队成功构建了光量子计算机，首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力。

　　此次突破，主要体现在超导体系上，研究团队打破了由美国保持的9个量子比特操纵记录，自主研发了10比特超导量子线路样品，实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。

　　近日，潘建伟团队再次完成了首个在光量子计算机上进行拓扑数据分析(TDA)算法的验证演示，表明数据分析可能是未来量子计算的一大重要应用。

 对于这场量子力学的“迷你曼哈顿计划”，你怎么看？

　　据了解，TDA可以抵抗一定噪声的干扰，从数据中提取有用信息，而量子版本的TDA能实现对经典最优TDA算法的指数级加速。量子TDA算法也是继秀尔算法(上述用于大数因子分解进行密码破译)、Grover 算法(用于搜索问题)、HHL 算法(用于解线性方程组)之后，人类在量子计算机上可使用的一种新算法。

　　该算法为在量子计算机上进行高维数据处理、甚至人工智能算法领域的探索打开了方向。

　　后记

　　从普朗克提出量子概念，到爱因斯坦和波尔的量子力学革命，海森伯和波恩共同宣布量子力学的建立，薛定谔的猫“否定之否定”，再到有量子力学渗透的奥本海默“曼哈顿计划”，费曼提出量子计算机概念，D-Wave大胆尝试“迷你曼哈顿计划”，并最终掀起科技巨头们和国家量子科技争霸赛，量子力学已经陪伴了人类118年。118年来，顶尖的人类智慧最终发现了量子世界并企图将其转化为现实应用。

　　然而，无论科技发展至何程度，其本质还是为人类服务。但人类、真理、科学究竟应该为何关系?这是自科学不仅仅有改变人类生活，甚至改变人类属性的潜在可能下需要的哲学思考。

　　从历史发展来看，二十世纪上半页人类经历了地缘政治变化，以及新兴的政治思潮极端化带来的种种灾难。虽然说科学技术本身是有意义的，性质是中性的，但就如爱因斯坦谏言总统赶在纳粹之前创造出原子弹的迫切心情，科学家们在第一颗原子弹爆炸后的狂喜，却在真正的灾难发生后转瞬即逝，进而陷入巨大的惊恐之中。

　　科学能够决定它自身的永续发展，却无法确保人类的命运。

　　这，或许应该是我们更优先思考的。

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