量子计算的真实与谎言
引子
《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，而中国和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。
《自然》杂志：中国的量子专利集中在量子通信(黄色)和其它(蓝色)，量子计算(深橙色)并不算多
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，还要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。
超导环像艺术品一样（Credit: IBM）
“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”。
（离子肼机的画风十分硬朗Credit: Honeywell）
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。比如，你们小区明天会不会被封，这是一个极多变量(波)叠加的概率：前几天一个旁边小区的嗓子不太舒服的感染者想吃关东煮里的萝卜败败火，刚好在便利店里碰到了996下班的饿坏了的你的邻居，你的小区又刚好碰到了核酸普查。
不同变量的波振幅不同。我们还用上面的例子，市领导这个变量的振幅最大，能一下子抵消掉无数小的波。他们决定封城，那你们小区明天被封的概率就一下子趋近于100%。
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。
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