算法系列：量子计算与量子通信

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量子计算机会不会取代今天的计算机算法技术？

 

作者：Summer Clover
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现在学界的主流意见是，在可见的未来，不会。
无论从现有的理论还是从实际来看，在短期内(50年？）量子计算机都不会完全取代现在的电子计算机。更可能的是两者共同繁荣。
学术界目前的主要研究方向也是这样，用量子计算机去运行特定的程序，在传统计算机吃力的领域出力就行了。

原因有两方面。
1）首先从量子算法理论来看。量子计算机需要特定的量子算法才能发挥出量子计算的强大威力。但是，并不是所有的计算都可以用量子算法加速。虽然量子算法绝不会比传统算法慢，但能像Shor算法和Grover算法那般完全超越传统算法的其实比较少见。不少问题上我们暂时都还没有得到很好的量子算法。
（不过，人工智能/机器学习里很核心的优化（optimization）过程却很幸运地与量子计算是天作之合。这个之后再说。）

2）再从实践来看。Dwave这家量子计算机公司开发了世界第一款商业量子计算机。但实际上，这款量子计算机不是通用量子计算机，并不能运行所有的量子算法。Dwave实际上是一台量子退火机（quantum annealing machine）。它的主要工作方式是调整伊辛模型的参数来构造满足某优化问题所对应的量子态，再用量子退火算法来求解。（Google愿意花1000万美金买一台Dwave，再建立Quantum AI Lab就是看中了Dwave在人工智能上的强大功能。目前512qubit机所模拟的最复杂的人工智能问题都能在1s左右解决。）

通用量子计算机是一个超出目前科技水平太多的技术。以至于大多数科学家更愿意研究具有特定量子结构的量子计算机，用来执行特定的量子计算功能。比如说Google有一项量子计算需求，就为此配一台能专门完成这项量子计算的量子计算机就能运行的很好，搞不定的部分再交给电子计算机处理分工处理就行。
想一想量子退火机尚且要在20mk的温度下才能运行。通用量子计算机得多么复杂、精密且昂贵，而且至今没有好的方案。量子点、核磁共振、量子光路、超导环等所有可能的途径都有科学家在研究。


为了阐述结论，这个答案主要针对的是量子计算机目前的缺陷。
最后也说一点正面的，免得想把做量子计算的小朋友们吓跑了。。

因为通用量子计算机困难很多，所以量子计算机是很难全面取代传统计算机。

量子算法相比经典算法有天然的优势。量子算法的上限和潜力远高于经典算法。
一方面，就是因为0和1可以被一个量子比特同时储存，一个量子比特需要用两个数描述其叠加态。N个量子比特可以储存2^N个数，算一算2^N可以是N的多少倍。如果未来出现一台量子计算机的算力超过地球上所有经典计算机之和请不要觉得奇怪。

另外一方面，量子计算机是可逆计算机。这是许多人会忽略的一点。经典计算机则是不可逆计算机。不可逆计算过程每一个比特的操作都会有热损耗。集成度越高，散热越困难。摩尔定律会在7nm左右时停下，最多还有十年，这是业界的普遍观点。摩尔定律失效后，提高计算能力只能靠堆积核。这种靠堆积带来的计算能力上限也很低，能耗又高，又不能小型化。如果像突破经典计算机的极限，我们必须要攻克量子计算机这个难题。量子计算机意味着：无能耗。能做多小做多小。一个计算能力超过经典计算机之和的量子计算机只需要一颗纽扣电池就能驱动也是理论上可行的。一块手表的计算能力甚至可以超过超级计算机，而且只需要一块纽扣电池就能驱动它了。（这是因为，量子逻辑门操作全部是可逆变换。整个过程不产生热量。所以理论上，耗能可以降到极低。）

但是，当数据太大时，Google之类的企业会很愿意使用具有特定量子功能的机器。现在需要超级计算机的地方，目测会成为未来量子计算机首先投入使用的地方。

虽然有种种困难，但是大家普遍认为量子计算很快（10年）就能在人工智能领域发挥作用了。因为量子退火机Dwave可以在人工智能领域完全地发挥出量子计算功能。这也是Google建立Quantum AI Lab的主要原因。

在自然科学领域，量子计算可以很高效地模拟诸多自然过程，会成为相关领域科学家的一大利器。所以用量子计算机模拟自然现象有着巨大的吸引力。

还有一点很重要的，2008年我们才知道，基于量子逻辑门的标准量子计算与绝热量子计算（adiabatic quantum computation）是等价的。我们可能不需要按照传统计算机一样做出逻辑门就能进行量子计算。而量子退火就是绝热量子计算过程——制备量子态，等其绝热演化到基态，基态直接就能给出计算结果。想一想这是多么恐怖的计算能力，大自然本身就是绝佳量子计算机。自然演化就是计算结果。这种绝热量子计算方式甚至不需要我们构建量子逻辑门。
【Lloyd S. The universe as quantum computer[J]. arXiv preprint arXiv:1312.4455, 2013.】
所以，Dwave也有可能在未来被改进成能顺利执行所有量子计算功能的通用型量子计算机。这给我们带来了新的曙光。
【Aharonov D, Van Dam W, Kempe J, et al. Adiabatic quantum computation is equivalent to standard quantum computation[J]. SIAM review, 2008, 50(4): 755-787.】

量子算法还可以分分钟暴力破解银行密码。这个大家都知道。



随着人类的数据量越来越大，大概会有多种类型的量子计算机走入我们的生活。当然，目前来看我们还是始终还是需要一台简单的通用电子计算机。


量子计算机虽然短期内不能取代经典计算机，但却是人类科技文明的一个里程碑，是未来科技的引擎。

 

 

相关答案：怎样看待中国即将发射的量子科学实验卫星？ - 知乎用户的回答


ps.这次这篇量子计算机的答案算是最近写得最周全的一篇，能给出一个概貌。之前的答案大多都是只描述了一个方面。最好是综合起来看。
欢迎纠错。

怎样看待中国即将发射的量子科学实验卫星？

 

作者：Summer Clover
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先说点乐观的故事。

人类历史上第一颗量子卫星。当然有重要的象征意义。
我的印象中奥地利的量子通信卫星本来应该先上马的，但是似乎欧洲各国在经费的问题谈崩了。于是我们的这颗量子通信卫星就成了第一。这就是大国的优势吧。
美帝为什么不上？美帝的重心一直在量子计算上。

量子通信和量子计算是量子力学应用的两大方向。我国在量子通信领域的领先也有重要的实际意义。
先是一颗卫星，之后会越来越多，由点成网。全球量子通信网形成之后，我们差不多就可以在地面上任意两个地方进行量子通信了。


最近几年量子通信发展很快，似乎是突破了瓶颈。
常人印象中量子通信还很远，但是实际上量子通信从原理到技术基本上都没有什么障碍。我本科的时候都玩过量子通信的实验。传输了一个彩色图片，以我那个渣技术失真率都只有百分之二。

最近几年的重要进展就是量子通信距离不断刷新，量子通信终于可以走出实验室了。两年前的记录大概就是好几百公里了。（刷到这个记录就刷了好几篇Nature...）
达到这个记录后，中科大的潘建伟教授立刻就开始筹备量子通信卫星的计划，这个记录已经够卫星上天玩了。

【虽然没上过潘教授的课（当年真应该去蹭的！），但也幸运地听过他好几次讲座。好几个同学都在他组里做过科研。潘建伟教授在量子通信上的研究应该中国基础科学领域数一数二的成就，在国际上也是量子通信领域泰斗级人物。有兴趣地可以百度一下。】

60周年国庆节上的通信就用上了量子通信。
城域量子通信网也首先在合肥建成。

所以，从原理、技术、经费上，量子通信的障碍都差不多扫清了。就等着【量子星座】挂上星空。
量子星座这名字也取得不错嘛 haha

再说一点不那么乐观的。
1）量子通信最重要的就是保密性了.. 所以，根据一位在潘组里的同学所述，目前不看好量子通信走入大众生活。政府完全没有普及量子通信的动力，都保密了还怎么监听啊。
不是在黑中共，美帝也一样，最多不会那么张扬。大政府的恶习。

2）量子通信和量子计算本自同更生，但是重要性真是差远了。
很简单的地点，听到量子通信卫星，大家大概是眼前一亮。要是2016年商用量子计算机来了，我会觉得天堂落入人间了。

我在量子计算机有什么实际的应用意义？ - 知乎用户的回答这里写到的：

量子计算机会成为未来科技的引擎，是打开无限可能性的钥匙。

商用级量子计算机具有难以估量的学术价值和工业价值。
对人类文明来说，它是真正的一大步。

我想题主更在意是其工业价值。
最直接的应用当然是，各种量子算法终于可以运行，可以商用化了。

目前为了运行某些量子算法，我们只能在实验室里造出特定的量子计算结构。而且这种结构一般都费时费力费钱。
一台计算机上可以运行各种程序在大多数码农眼里应该是显然的。但要造出一台可以实现各种量子算法的计算机非常困难。

假如现在我们可以造出商用级量子计算机，我们就可以在它上面运行各种量子算法。

1.这时，从Google这类行业顶级公司开始，几乎所有经典算法都会被其对应的量子算法替代。量子算法在处理许多任务时都会比经典算法有极大提升。
量子计算机的确是只在处理某些运算时有优势，但是这些运算实在是太基本了，以至于无处不在。
比如说几乎无处不在的希尔伯特空间，只要遇到它，基本上都有对应的量子算法。
所以实际上，量子计算机可以运用在许多类型的任务中。所有大公司都不会也不能错过这种技术。

2.一些经典算法不可能完成的任务，量子算法却可以轻松搞定。
比如说，用量子算法的Google可以在“不知道”你的问题的情况下，就给出搜索结果。你的搜索记录将完全保密，连Google都不知道。这是由于量子不可克隆原理。
还有很多违反直觉的任务可以完成，因为量子力学本来就是违反人类直觉的。

3.计算能力的巨大提升+不可能任务的可能化=...？
这种时候就不要吝啬自己的想象力了。

想想机器学习在二十年前的落寞和现在的春风得意。二十年前机器学习在工业界很难找到使用价值，因为那时的计算能力实在太烂了。学习算法在train set测试一下都要几个月的话，谁还有时间调参数啊。
这二十年间，计算机结构不变的情况下，机器学习就已经强大了这么多倍。
想一想，假如我们获得比现在强大的多的计算能力，一个强大到我们无法想象的带量子任务处理的强AI是不是指日可待了？
【Google去年5月和NASA合建了Quantum AI Lab. 量子人工智能，听名字就很帅啊！】

当家家户户都有一台量子计算机，互联网又会进化成什么形态？


一句话，商业级量子计算机会成为未来科技的引擎。
就像蒸汽机是工业文明的象征一样，量子计算机带来的计算能力的突破将会有类似的意义，它是人类迈过那7nm鸿沟的桥梁。

我甚至觉得，在我们获得量子计算的强大能力后，强人工智能就将实现。

量子计算机+量子算法威力无穷，不过，又要40年。喂喂，上个世纪好像也是这么说的！


3）量子力学差不多100岁左右了。
人类还只能做到这种程度而已，真是很遗憾。
我们还完全没有消化上个世纪初基础科学大爆发的成果。所有的原理都摆出来了，我们还是花了100年的时间，终于才有了第一颗量子通信卫星。

量子力学的重要应用——量子通信和量子计算的理论基础早已稳固，但是这两者到现在离商业化都非常遥远。人类第一颗量子通信卫星两年后才升天，最好的量子计算机还只能解最简单的线性方程组。

从历史上来讲，科学革命后技术革命就会跟着爆发。
【什么是科学革命？请点击：为什么19世纪末世界诞生了如此多杰出的，其研究成果具有划时代意义的物理学家？ - 知乎用户的回答】

几乎每个人都感觉到最近数十年来技术革命对这个世界的影响。但其实，我们还只消化了量子技术的很小的一部分。现在电子计算机芯片里的量子效用已经无处不在了，但这也只是开始而已。

商用量子计算机才是真正的丰碑。变革一切的力量。
当脑容量300的时候，我们只是猴子，当脑容量1500的时候，我们创造了文明。
但计算机还是经典计算机的时候，它就只能推荐一下商品。当它的计算能力时是现在的一万倍，一亿倍，甚至？？？？倍时，它会干什么？
我的意思是，它想干什么？

量子革命和计算革命都才刚开始呢。
我们离第二次技术革命的终点还很远很远很远...
（第一次技术革命是工业革命。）
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谢谢部分知友提醒。大概看了一下，日报等处有很多无关痛痒的回复。问题是如何看待发射量子通信卫星，而不是量子通信原理是什么。想看到自己所需要的知识，首先得问正确的问题。 了解量子通信原理应该看这里：如何用通俗语言解释什么是量子通信？ - 物理学


关于量子计算的简单介绍请点这里：能不能用IT技术人员能听懂的话介绍一下量子计算的原理？ - 计算机