## 邵恒帮你问 | 量子计算进展到了什么地步？

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

我们可能在网上见过这么一句玩笑话，“遇事不决，量子力学”。事实上，量子计算究竟是怎么回事，现在发展到什么阶段了，不是专业人士可能真的没机会了解。

这期的#邵恒帮你问#，我就为你邀请到了一位在量子计算方面的专业人士，李铁夫老师。李铁夫老师是清华大学微电子学研究所的副研究员，从事量子计算机科研工作将近20年，最近还在得到上线了一门新课，就叫做《前沿科技——量子计算》。

今天，我和李铁夫老师一起挑选了3个有代表性的问题，和你聊聊量子计算。

### 1. 阿杜、albatross、程卓 Daniel、大海：

> 老师好，量子有没有具体物理实体？是不是光子？为什么会有叠加态和量子纠缠？能不能用最简单的方式解释，让我们非专业的人也能听懂？

回答：要讲清楚量子物理的原理，太难了。在大学里，专业学生都要学好几个学期。所以，我在这儿只能简单介绍一下，让你感受一下量子世界的神奇。

首先，我要告诉你，你不要把量子当成一个像电子、原子这样的实体。你问这个问题，可能觉得，量子是一个比原子、电子还小的东西。你脑子里的模型，已经习惯了我们找到越来越小的单元，去理解和解释这个世界。物理学家也曾经这么期待，这个世界可以拆分得越来越小，只是尺度更小了，但基本规则是不变的。

不过，在100年前，物理学家发现，用以往的基本规则，也就是经典物理，在尺度很小的情况下，没办法解释实验中的新现象了。所以，建立了新规则，就叫作量子物理。

所以，对于普通人来说，你可以把“量子”这个概念当作一个开关。当你听到量子的时候，就代表着我们解释的规则变了，从经典物理换到了量子物理。

那经典物理和量子物理这两套规则有什么关系呢？就像宏观经济学和微观经济学一样。我们描述宏观经济学的理论，没法儿完全解释微观经济学的现象。虽然我们知道，微观构成了宏观，但它们是两套解释模型。

不严谨地说，我们要把能量分成一份一份的，才能解释新现象，这就是量子的思想。物理学家在这个基础上，建立了一套数学解释体系，叫做量子力学。反过来，我们通过量子力学的规则，也可以完成对量子的操控，进行计算工作，就是量子计算。

这个时候，再来看前面的问题。量子有没有实体？电子、光子是不是量子呢？其实，量子更是一个概念，一种思想。比如电子、光子，它们都是量子体系，因为它们遵循了量子物理的规则。

接下来，我给你简单解释一下量子叠加和量子纠缠。

量子叠加是什么呢？我打个比方。你可能听说过薛定谔的猫，这就可以理解成一只量子猫。

这只猫在同一时刻，用我们经典物理的规则来看，要么是生，要么是死，没有其他可能性。但是，量子物理中，它能够处于既生又死的状态，可能是20%生80%死，也可能是一半生一半死，甚至生死的比例还可以随时间发生变化。那么，这只猫所处的这种状态，在量子物理中称作“量子叠加态”，意思是说，有两种基本状态叠加在一起。你可能觉得有点难理解，没关系。

再来说说量子纠缠。就是说，如果几个量子之间产生了纠缠，那这几个量子就丧失了自我，成为了一个集体。比如说，一个量子在地球，另一个在银河系边上。即便我们只是观测其中一个，另一个也会马上变化。

上面我所说的，不论是量子纠缠还是量子叠加，都是我们发现的现象。至于说，它们为什么会这样，我们无法解释。我们现在只能用数学公式去描述它。

### 2. agentle深海、浪漫骑士：

> 前几年量子计算机还只是愿景般的存在，那么这次谷歌的重大突破究竟有多重大？中国现在量子计算的研发在世界上处于什么水平？

回答：要说说最近谷歌的量子霸权代表着什么，我想先说一说量子计算机的发展。

量子计算的理论从上世纪八十年代就开始了，不过真正把它运用到计算上，还是从量子比特真正实现开始的。比特就是比特币的比特，你可以把它理解成是一个信息的基本单位，量子比特就是说，计算机里的信息单位可以用量子物理规则来实现了。

以我所从事研究的超导量子比特为例，它在1999年的时候，在日本NEC公司蔡兆申教授的实验室第一次被成功演示。后来，各种形式的量子比特也被逐一实现，比如离子阱、量子点、核磁共振等形式的量子比特。这意味着，量子计算机的诞生。

实现了量子比特之后，大家就开始扩大量子比特的规模。科学家们开始熟悉这个新生事物，研究了量子比特的各种设计方案，尝试了很多材料和结构。其中，标志性的进展有两个，一个是2017年的时候，IBM发布了20个超导量子比特的量子计算机；另一个是2018年，美国初创企业IonQ公司发布了11个量子比特的离子阱量子计算机。

随着量子比特数量和质量的增加，运算能力也越来越高了。直到最近，发生了一件里程碑式的事件，Google宣布，在他们53个量子比特的量子计算机中实现了“量子霸权”。

所谓的量子霸权，就是说对某一个计算问题，量子计算拥有了超越所有经典计算机的计算能力。Google就宣称，他们的量子计算机成功地在3分20秒时间内，完成了一个专门的计算问题，而传统计算机计算这个问题需要1万年的时间。

不过，这只是解决了一个特定的计算问题。我必须要承认，一台大规模的、能解决实际问题的量子计算机，什么时候能够实现，学术界还没有一个明确的时间点。但好消息是，量子计算这种计算思想，已经在数学上被严格证明了，而且迄今为止，我们并没有发现任何物理学上的困难，会限制量子计算机的实现。所以，量子计算被实现的可能性很大。

那我们国家的量子计算研究进展如何？我可以很自豪地告诉你，中国处在国际科研的第一梯队。在超导电路、拓扑器件、量子点、离子阱和光子等多个可行方案上，都有团队做出了世界级的成果。因此，我有理由相信，在量子计算机的研发过程中，中国一定会取得跟国力匹配的科技地位。

如果你想了解更多，我在头条的第90篇《谷歌的“量子霸权”值得担心吗？》（戳此收听），也有详细的说明。如果有兴趣，可以点击以上文稿链接看看。

### 3. 航航航航航帮菜、馨轲：

> 量子计算对我们普通百姓的生活到底有什么看得见的影响？比如以后的密码都没用了怎么办？对区块链有影响吗？

回答：首先，我们来谈谈量子计算机破解密码这件事。

现在我们常用的一种加密方法，叫做RSA加密。理论上来说，如果要破解它，需要经典计算机几百万年的时间，但是如果用量子计算机，几分钟就能破解了。

但是，我们还做不出这么一台量子计算机。据估算，想要真正破解RSA加密，需要一台含有至少百万个量子比特的量子计算机，而今天世界上最好的量子芯片，也只有53个量子比特。所以，从理论到实际应用，还有很长的路要走。

就算RSA加密体系能够被量子算法破解了，还有其他常用的量子加密方案，我们还没有对应的量子算法，比如比特币所用的椭圆曲线加密算法。 所以，就算现在手头就有一台量子计算机，也没法在短时间内破解比特币。

当然了，现在没有，并不代表以后永远不会有。科学家们已经想到这一点了，对量子加密方案进行了研究。一旦量子计算机对现有的密码体系构成了威胁，就可以立刻启用量子加密技术，建立起新的平衡，确保社会秩序、国家安全不会受到侵害。

其实，除了破解密码之外，量子计算机还有更大更重要的用武之地。比如，可以利用量子模拟来研究特效药、提高能源效率；可以利用量子优化来帮助解决交通拥堵、提高投资收益等等。解决这些问题的核心就在于，用量子计算机可以算得更快，处理更大的数据量，这些领域有可能成为量子计算第一批实用化和商用化的突破，给我们普通人的生活带来切实的改变。

以上就是李铁夫老师的分享。如果你还想了解更多关于量子计算的知识，推荐你去学习李铁夫老师的《前沿科技——量子计算》。

好了，这就是本周的#邵恒帮你问#。我是邵恒，我们明天见。

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