相对于人工智能，自从AlphaGo 打败一大群世界围棋冠军无敌手，而AlphaGo Zero 又通过自主学习轻松打败AlphaGo，你即使不太懂人工智能的工作机制，似乎也可以似懂非懂地知道人工智能的伟大远景。然而，对于量子电脑，虽然时不时看到量子电脑的最新进展报道，特别是Google 与IBM 两大科技公司在量子电脑研发上的白热化竞争，使人们对量子电脑充满了好奇，但如果你对「量子」了解不够深入的话，大概无法给量子电脑说出个所以然。

而事实上，对于人工智能，它的基础研究还处在非常初级的阶段，像神经网路与机器深度学习，电脑视觉与自然语言处理等技术发展远超越相应的科学理论发展。相反地​​，量子电脑是以20 世纪初建立起来的量子物理为其科学基础。描述微观世界（原子尺度）的量子物理及描述高速运动（接近光速）的相对论是过去一个世纪物理科学发展的基石，但量子理论至今仍然是人类对大自然现象所知道的最神奇又最诡异的科学理论。

一、浅谈量子是什么？

量子不是原子、分子等构成我们自然界各种物质那样的粒子，但它却是揭开自然界所有已知基本粒子之神秘面纱的天使。量子物理诡异的观测随机性，让提出量子概念的先驱者之一爱因斯坦为之大动肝火：「上帝不掷骰子」；也让量子学说的创立者、奥地利物理学家薛定谔曾对别人说：「我为对于量子力学的研究感到抱歉。」

薛定谔

其实，量子是一种概念，而不是一种东西，量子力学是描述自然界物质状态的一个方式。自然界一切物体的运动分为粒子运动（如地球绕太阳的转动）及波动（如传递讯息的电磁波）。量子物理告诉我们，一切物体及各种运动都同时具有粒子与波动二种特性，而当物体很大时，波动的特性不容易观察到，因此人们用牛顿力学来描述粒子的运动。但当考虑的对象很微小时，像物体中单颗电子的运动，电子的波动是它的主要特性。这样，束缚在物体内的电子，它的动量及能量会被量子化。薛定谔因此提出了描述物质的波动方程，建立了量子力学。

正是这样的量子物理告诉我们，物质除导电与不导电外。还有「半导电（半导体）」，从而产生了半导体工业革命，改变了人类文明的生活模式。也正是爱因斯坦，用量子的概念发现光电效应，人们由此开发的光电商品，从摇控器、数位相机、雷射到太阳能电池等。而奇妙的量子穿隧效应使人们发展出扫描穿隧显微镜及原子力显微镜，探物质表面的原子结构，开创奈米尺度的科技时代。更神奇的是薛定谔从原子及分子的观念思考生命的起源：What is life，启发了华生和克里克发现DNA 结构，为生命遗传机制打开了探索之门。

然而，近代科技的发展只用到量子的一些非常普通的物理性质，即量子能级、光电效应、量子穿隧效应等。这些物理性质大部分的中学生可能从近代物理中已学到。目前正在开发的量子电脑及量子通讯将利用量子世界中最神奇也是最怪异的物理性质，即量子叠加原理及量子纠缠特性，前者导致了物质波的概率描述，后者产生了远距的瞬间量子关联。

二、浅谈量子世界的本质

事实上，量子叠加原理产生量子相干性才是量子世界的本质。物质材料是由各种元素（原子）构成的，在原子尺度上，物质显示波动的特性。因此原子或电子的不同状态是各种不同的波及其叠加的空间分布，可呈现波的相干性。但当人们量测电子的状态时，又只看到整颗电子在某一确定的位置，而不是波的分布形态及干扰现象，并且每次量测电子位置的结果都会不一样（量子测不准关系），所以物质波是概率波，与我们所熟知的电磁波（含大量光子）、水波等现象不同。薛定谔曾用猫设计一个描述量子叠加态及概率的实验：将一只猫关在一个封闭无窗的盒子里，盒子里有放射性物质及一瓶毒气，如果放射性物质发生衰变，会触动机关打破毒气瓶，则猫被毒死；如衰变没发生，则猫可活下来。常识告诉我们这只猫不是死了就是活着，量子叠加原理告诉我们这只猫是又死又活，生死叠加。瓦恩兰和阿罗什（两位为2012年诺贝尔物理学奖得主）实验上证明「这只薛定谔可以不活又不死」，此现象戏弄了物理学家及哲学家近一个世纪，这是量子物理较为怪异的现象之一。

另一更怪异的量子现象就是量子纠缠。量子纠缠，又被爱因斯坦称为「鬼魅似远距作用」的怪现象：两个处于量子纠缠的原子或电子，不管它们分开多远，例如处在两个不同的星球上，当人们量测其中一个原子的量子状态时，处在另一星球上的原子的状态会瞬时跟着改变。量子纠缠这种超距的神奇现象已在实验上被证实，并且已在实验室中不断被制备，成为实现量子通讯及量子电脑最关键的要素。

三、利用量子叠加及纠缠设计电脑

那为什么要以量子相干性及量子纠缠去设计新的电脑原理呢？智慧型手机或平板电脑等3C电子产品的核心部件是晶圆处理器。现在的手机或电脑中的一片拇指大的晶圆处理器含一个或多个有几十亿颗电晶体集成的电路（IC），用来处理我们每天需要或面对的各种资讯。在数位电路中，资讯数位化用二进制0与1来表示，称为bit（位元）。电晶体作为一个电流开关元件，如将开的状态定为1，关的状态定为0，则成为一个操控0与1的物理数位元件。人们平时所说的半导体工业中的摩尔定律，就是英特尔（Intel）创始人之一摩尔，在1965（1975）年提出（修正）的：单位尺寸晶圆内集成的电晶体数目约每（两）年翻一倍，而其效能差不多也是每两年翻一倍。因此人们希望将元件越做越小，从微米尺度到奈米尺度，每个晶片能容纳的元件数越来越多，从而处理资讯的速度越来越快。过去半个世纪来，半导体工业及资讯科技的发展，基本上都能满足摩尔定律。可是，摩尔定律其实在10年前就已经遇到了瓶颈。虽然每个晶圆上的电晶体密度还是差不多每两年翻一倍。但处理资讯的速度在过去10年并没有显著加快。具体而言，2000年英特尔(Intel)处理器Pentium 4上的集成电路含约4千万个电晶体，其速度是1.5~3 GHz；2015年英特尔处理器Core i5含近20亿个电晶体，其速度仍然是约3 GHz。换句话说，用15奈米的晶圆与用65奈米晶圆制作IC处理器，其速度是在同一个GHz数量级。今天的半导体工业在小型化上看上去成就非凡，但电脑效能的提升已遭遇到难以克服的瓶颈。

有人将半导体技术发展遭遇的瓶颈归结为两大因素：当器件尺寸越做越少时会过热，同时量子效果会浮现。但事实上，元件过热及出现量子效应并不是主因，真正原因是用电极操控电流开关速度，或者说电子对外电场反应的时间在半导体材料中已到了极限：在奈秒量级。因此，用电晶体处理数位资讯的速度已经发挥到最大限度。

但当半导体资讯工业正走入绝境，新兴的量子科技已出现。简单地说，量子科技就是如何操控个别原子、电子、光子甚至原子核等的量子相干及量子纠缠行为。目前技术发展的核心就是「量子电脑」，传统资讯处理器无与类比的新一代机器，已成为英特尔、IBM、微软及Google等世界各大科技公司重点开发的下一代产品。在这个新科技的研发中，人们完全抛弃传统资讯处理器的概念，即抛弃利用电晶体控制电流开关来实行数位化的手段，而是用量子叠加态来处理资讯的数位化（称之为量子资讯），并用量子纠缠实现平行计算。

具体来说，用具有两个独立量子态的系统，像电子自旋或图中两个量子点的电荷态，作为处理量子资讯的基本元件，称为「量子位元」。与古典位元不同，量子位元不仅存在类似传统的0态与1态，还可以处在两者的任意量子叠加态：α|0〉+β|1〉，这里复数α和β的绝对值平方分别为量子位元处在0态与1态的概率。这样，两个古典位元组成的传统暂存器只能处在00、01、10、11四个状态中的其中一个，而两个量子位元组成的量子暂存器可以同时处在上述四个状态。因此，普通电脑中n个位元只能处理2^n个状态的其中一个，而n个量子位元可以同时处理2^n个状态。假设人们分别制造一台有50个古典位元及50个量子位元的暂存器，传统的暂存器在每个时刻只能表示2^50=1,125,899,906,842,624个状态中的其中一个，而在量子暂存器中，这1,125,899,906,842,624个状态可以同时存在，并且通过量子纠缠进行同时计算，实现真正的平行计算。

图解：古典与量子资讯的区别：左边上下两图为单电子电晶体与I-V曲线，是古典位元的最小元件；右边上图为双量子点元件图，下图描述量子电荷位元的各种叠加态及退相关现象。

因此，科学家从1995年开始投入量子通讯及量子电脑的研发，并已取得了巨大的进展。在过去20年的研究中，人们已经在离子阱、超导量子位元、量子点等多个物理系统中，实现并操控了数个至十几个量子位元的量子相干及量子纠缠。去年10月份，英特尔才刚宣布制作出17个量子位元的超导量子晶片。IBM随之宣布已成功研发出20个量子位元的超导量子电脑。同时，IBM还成功开发出一台50个量子位元的原型机。

图片来源网络：50个量子位元的原型机

四、量子电脑的巨大挑战

理论上，一台50个量子位元的量子电脑就可以超越现在世界上最强的超级电脑的计算能力。然而，量子叠加态相当脆弱，量子相干性受环境的影响很容易遭到破坏，会在非常短的时间内产生所谓的退相干现象，从而失去量子效应。位于加拿大温哥华附近的D-Wave公司是全球最早的量子电脑研发制造公司，去年他们研发的D-Wave II，其处理器含2000多个超导量子位元，计算能力与解决同一问题的传统超级电脑比，快了1亿倍，但只能专门用来解决单一问题，是一种做优化方法的机器，称为量子退火机，并不是真正的量子电脑。研发通用的量子电脑首先要克服的难题是克服量子退相干问题。微软公司10多年前就专注在拓扑量子电脑的研发上，因为拓扑量子态被认为可能不受退相干的影响，但至今单个拓扑量子位元的实验还没有实现。

虽然制造出通用的量子电脑面临着巨大的挑战，但随着全球量子电脑研发能量的不断加强，实用的量子电脑迟早会到来。那么，这样强大的量子电脑有什么用呢？首先量子电脑可解决量子系统本身的复杂性问题。另外，现在的人工智能科技结合大数据及云端网路，会对很多新兴科技领域及新的商业模式开发提供新的动力，但人工智能需要强大的计算能力。量子电脑可将人工智能发挥到极致。再者，生命科学的研究在过去半个世纪取得了极为惊人的发展。从生命体内的细胞结构、基因结构，再到DNA结构，其基本的组成部分是分子与原子，本质上都应该满足量子物理规则。知名物理学家戴森曾指出：人类的思维模式与量子世界的行为规则是如此的相像，因此人们最终希望了解生命的秘密、物种的变异、思维的奥妙等谜团，也许只有量子物理才能解开，而超越人类的人工智能，也许只有通过量子科技才能实现。量子电脑是否会将我们带入一个全新的世界，让我们拭目以待吧。但可以肯定的是，未来是量子的！