诺贝尔物理学奖加持，量子计算再受瞩目

诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在纠缠光子的实验、贝尔不等式及量子资讯科学等方面的突破性贡献。

量子力学从上世纪初诞生以来，催生了晶体管、激光等重大发明，这被科学界称为第一次量子革命。

近来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。瑞典皇家科学院在诺奖公报中说，今年三位获奖者在量子纠缠实验方面的贡献，“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。

诺贝尔物理学委员会成员伊娃·奥尔森说，“量子信息科学是一个充满活力，且发展迅速的学科，这将是安全加密传输、量子计算，和即时通讯等领域的基础”

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什么是量子计算？

我们熟知的电子计算机，是通过控制电子来实现输入、运算、输出这个系统，它遵循的是经典的电磁规律。

那量子计算机呢？量子计算机是利用量子力学规律操控的一个物理系统，它遵循的是量子力学。而通过量子力学操控的这个物理系统，其实和电子计算机一样，也是操控比特。只不过，量子计算机，操控的是量子比特。

可能有对计算机不熟悉的朋友，不知道比特是什么，更别提量子比特了。简单来说，比特是信息量的最小单位。在经典计算机（我们熟知的电子计算机）中，每个0或1就是一个比特。

8比特就是一个字节；

1024字节就是1KB；

1024KB就是1MB（一兆B）；

1024MB就是1GB。

我们现在的很多智能手机，都是128G，256G的存储空间。所以，比特是信息量的最小单位，每个0或者1就是一比特。

那量子比特呢？与电子计算机中的比特不同的是，一个量子比特不但可以是0，还可以是1；而且一个量子比特不只是能让0和1同时存在，还可以控制“0”和“1”的占比。这就是量子计算和经典计算的本质不同，量子计算机是利用量子力学规律操控一个物理系统，而量子计算机所操控的量子比特，既可以代表0，又可以代表1。这种状态在量子力学中称作“量子叠加态”。

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什么是量子纠缠？

量子的概念，与分子、原子等“粒子”不同，它是最小的、不可再分割的基本单元。比如，“光的量子”就是光的最小能量单元，简称光子。

据相关报告指出，过去十几年，这3位科学家与量子纠缠理论，一直是诺贝尔物理奖的大热门，该理论早在2010年便获得以色列的沃尔夫奖（Wolf Price）。

什么是量子纠缠理论？这大概是指处于纠缠状态的两个量子，不论相隔多远，都会存在一种关联，其中一个量子发生改变，另一个量子也会即时反应，不因距离而有延迟。

早在上世纪30年代，爱因斯坦也注意到了这种现象，他认为这种行为违背了定域实在论，称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。

量子纠缠示意图

量子纠缠跟神秘的心灵感应有一些相似之处，相信很多人都听说过，一些双胞胎存在心灵感应，二者之间处在不同的城市，一个受伤了，另一个也能够瞬间感应到，有科学家认为，心灵感应有可能也是一种量子纠缠现象。

安东·塞林格在实验中，展示了一种称为“量子隐形传输”的现象，以他的话来说，“利用纠缠，你可以将量子携带的所有信息，转移到量子被重新构建的其他地方。”这听起来像是瞬间移动，或是科幻片《星际争霸》的光波传输。

目前，人类已经发现了量子纠缠的一些奥秘，未来的方向就是将发现应用到现实，研究出一些科技产品，例如：量子计算机，量子加密通信，量子网络等。

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量子计算机在商业上有什么应用呢？

量子计算机虽然理论上被严格证明了，而且运算能力强大，但是无论是受硬件的限制还是算法的限制，现在还没有办法做出来一台真正的，大规模的，解决实际问题的量子计算机。

那现在，量子计算机在商业上都有什么应用呢？主要是通过特定的系统解决特定的问题。比如在制药上，量子计算机可以模拟一些蛋白分子的折叠情况。

为什么模拟这个？因为像是阿尔茨海默病、帕金森、2型糖尿病等等，这些疾病的致病原因都是因为某些蛋白质折叠错误导致的。如果量子计算机可以模拟出来，就可以大大帮助医疗制药。

再比如加拿大的D-Wave公司推出一台商用的退火量子计算机。退火是一类算法名字，专门用于进行问题优化，比如找到复杂区域的最优路线，找到某种材料的最稳定状态等等。量子退火能帮助人们从体量巨大、结构繁多的数据中心，挖掘规律，发现模式。

以上，就是量子计算机在商业上实际的应用，虽然还不多，但是相信，随着量子技术的持续发展，一定会有越来越多的商业应用被开发出来。

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量子计算研究步伐加快

关于量子信息技术的探索一直是学界和业界的热门议题。今年5月，IBM发布了最新的量子计算路线图，引起了全球量子计算行业的高度关注，堪称“最强量子计算路线图”。IBM目标建造以量子为中心的超级计算机，计划将QPU（量子处理单元）、CPU（中央处理器）和GPU（图像处理单元）编织到一个计算结构中，以解决超出传统资源范围的问题。

谷歌公司在2019年9月推出53个量子比特的量子计算原型机“悬铃木”。谷歌也曾透露，其将在2029年前，投入数十亿美元，建造一台可准确无误地执行大规模商业和科学计算的量子计算机。

除了美国，中国对量子科技的投入也很大，自“十三五”以来就作为重点领域。咨询机构麦肯锡指出，在研究方面，中国研究机构的科学家发表了最多的文章，占量子相关学术出版物的24.7%，美国和欧盟机构分别占量子相关出版物的24%和22%，分别名列二三。

8月25日，百度发布了超导量子计算机“乾始”，和全球首个全平台量子软硬一体化解决方案“量羲”。也意味着百度打通了量子应用、量子软件、量子硬件的全流程。

在卫星量子通信方面，我国研制并成功发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上率先实现了星地量子通信，首次实现了洲际量子通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。

2020年，中国科技大学常务副校长、中科院院士潘建伟和中科大教授陆朝阳等学者研制成功76个光子的量子计算原型机“九章”，推动全球量子计算前沿研究达到一个新高度。“九章”是继谷歌“悬铃木”量子计算机之后，我国首次成功实现“量子计算优越性”的里程碑式突破。

2022年7月29日，由2022全球数字经济大会组委会主办，中国信息通信研究院和华为技术有限公司承办的2022全球数字经济大会量子信息技术与应用论坛在京举行。工业和信息化部科技司高技术处处长徐鹏在致辞中指出，量子信息技术可能引发颠覆性创新和变革型应用，将为信息通信技术演进、数字经济产业升级注入全新的发展动能。

总之，这些研究不仅是对量子力学基本原理的突破性认知，也将用于量子密码学、量子通信、量子计算等极有应用前景的新兴量子技术。在这些用来操纵纠缠粒子系统的新技术的帮助下，我们正在进入一个新的量子信息时代。

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