我国为什么要造量子计算机

　　最近我国科技界的喜事接二连三，如果说＂嫦娥＂奔月取土，和新一代＂人造太阳＂建造完成，是双喜临门，那最近公布的量子计算机＂九章＂的问世，就真是三阳开泰了。这几项科技，对我们的子孙后代都至关重要，如果说，探索月球是为后代拓展生存空间，人造太阳是为了彻底解决能源问题，那量子计算机就是发展一切基础科学的利器。今天我们就来聊一聊，我国为什么要造量子计算机。
　　一
　　说到量子计算机，我们必须要先聊一下，什么是量子，因为量子计算机就是根据量子世界的这些特性开发出来的。
　　大家肯定听说过原子，电子，中子等微观粒子，但是量子不是某种粒子的名称，它代表的是微观世界的最小单位，所表现的共同属性。啥意思呢，说的通俗点就是，量子代表了一类人，都有相同的性格和爱好。
　　而且这些特性都非常诡异，甚至超出我们的常识，通常只有在西游记这类神话故事中才会出现。每一个试图了解量子力学的人，都会感觉之前的几十年都白活了，和我们以前的经验完全不同。其实，你根本无需懊恼，因为从量子力学诞生起100多年了，就没有人搞懂过，当年，连爱因斯坦都不相信，量子会有这些诡异的现象，所以说出了著名的＂上帝不会掷骰子＂的名言。
　　接下来我会挑一些有趣的方面为大家介绍一下，不过，话说在前面，到目前为止，所有人包括科学家，对量子都是 ＂知其然，而不知其所以然＂。就是说，没有人知道量子世界的原理，只知道它有这些奇怪的特性，但为什么会这样，没有人知道。目前的科学成果，包括量子计算机，都是基于对这些特性的研究和预测开发出来的。所以，我接下里说的很多解释，只是量子领域的主流说法，有一些猜想也只是某一派物理学家的假说。
　　言归正传，你有没有想过，有一天你能和孙悟空一样，分身为7-8个自己，同时出现在不同的地方，有的在公司上班，有的在家里追剧，有的在和女友约会，那真叫神仙般的日子了。很科幻是吗，在我们这个宏观世界做不到的事情，在微观世界却是最平常不过的了，微观世界的物体（粒子）都能同时出现在不同的地方，做不同的事情。
　　在微观世界，什么都是不确定的，它是所有可能结果的概率组合。比如说，电子可以同时向上自旋和向下自旋，注意了，这里的重点是＂同时＂二字，就好像有人要你同时向左转和向右转，你肯定觉得那个人的脑子坏掉了，但是电子确实可以做到。所以用微观世界的话说就是，电子是向上自旋和向下自旋各百分之50的叠加体，这就叫量子叠加态，也是微观世界最主要的特征。
　　如果说你觉得这个已经是非常不可思议了，那更诡异的事情还在后面，刚才说了，微观世界的物体都好像有分身术一般，可以同时出现在不同的地方，但是它们又怕被我们人类看到，都是背着我们偷偷摸摸进行的。如果我们人类想要观测它们，比如说拿个探测器去偷偷看一下，这些微观物体就好像有智慧一样，立刻会察觉到你的不良企图，收回法术，让自己合二为一，乖乖的待在一个地方等你来看，一旦你转过头，不去看它，它们又会立刻恢复原来诡异的分身状态。
　　刚才对微观世界的描述，如果你不信，我觉得也正常，就好像有人言辞凿凿的告诉你，他有特异功能，可以同时待在家里和公司，然后你偷偷在这两个地方装了探头，发现他实际上要么在公司上班，要么在家里休息，并没有说的那么神奇，再然后，你就会建议他去医院看看精神分裂科。
　　但是微观世界发生的这一切确实都是真的，一百多年来，许许多多科学家都已经通过科学实验和现代化的技术手段证明了，最著名的就是双缝干涉实验，由于比较枯燥，这里就不具体解释了，有兴趣的朋友可以去网上看。到了1965年，美国的博尔德国家标准与技术研究所更是通过快照技术，把一个离子在相同时间，不同位置的状态拍了下来，有图有真相了就不好抵赖了。
　　那为什么会发生这种情况，按照当前主流的根本哈根诠释，由于微观物质比如电子，光子等都具有＂波粒二象性＂，处在不同位置的概率可以通过波函数计算出来，而一旦对其观测，波函数就坍缩了，微观物质就只会待在一个固定地方。看不懂也没关系，反正这也只是对这种现象的一种科学描述，至于更深一层的原理问题（为什么会这样），这个理论没有涉及。
　　还有一种解释就比较容易理解了，就是科幻小说中＂平行宇宙＂的概念，这个世界确实有多重宇宙，微观物质同时处在不同的地方，只不过是它处在不同的宇宙中，而我们人类只能看到自己所在的宇宙，所以每次都只能看到它处在一个地方。＂平行宇宙＂，多好的假设啊，这就好比说世界上有＂后悔＂药买了，本来今天有个股票准备要买的，犹豫了一下没买，结果直接拉涨停了，懊恼了一天。现在好了，没关系，你在这个宇宙没买，另一个平行宇宙中的你，毫不犹豫的全仓买进了，从此走向人生巅峰。
　　我来简单总结一下，并说说我看到的，比较能接受的一种解释。微观物质如电子，能同时表现出不同的状态，比如位置，速度，方向等，这就是量子叠加态。为什么会有量子叠加态，目前没有一个合理的解释。为什么人只要一观测，微观物质就会由叠加态，变成一个固定的状态，那是因为，也许人脑的运行也和量子有关。一方面，人脑中有大量的电子，可能会与外界的微观物质产生某种关联，影响它们的状态。另一方面，我们观测时，需要用到光，光线是由光子组成的，光子的能量波，也会干扰微观物质本来的叠加状态，使它只能固定在一种状态。一旦停止观测，收回光源，没有干扰后，微观物质就又恢复如初。
　　微观世界的另一个诡异现象，叫做量子纠缠。大家脑补一下，原来粘在一起的两枚骰子，分开后，一枚放在地球上，另一枚放到月球。我们在地球上抛骰子，如果是6点，月球上的那枚骰子也会立刻变成6点。不论我们抛多少次，40万公里外，月球上的骰子都会立刻变成相同的点数。同样的道理，我们在地球上打出一张牌，月球上的对家也能实时看到。这样想想，四个人相隔万里，还能凑一桌麻将。
　　刚才的场景，绝不是我在开玩笑，将来的某一天，通过量子纠缠一定能实现。量子纠缠就是原来处在纠缠状态的两个微观粒子，一旦分开后，不论相隔多远，只要其中一个的状态发生改变，另一个也会马上做出相应的改变。也就是说，其中一方得到的信息，另一方马上就会感受到，两者之间，不需要传递信息，但就是能彼此知道。就好比心灵感应一样，你不说，但我知道你在想什么。
　　如此变态的特性，不充分利用，那不是太可惜了。大家想想，每一个宏观物体，比如说一张桌子，一把椅子，都是由无数个微观粒子组成的。如果有一天，我们能把一张桌子的全部信息通过量子纠缠，传递到月球，那里的无数微观粒子，接收到桌子的信息后，重新组成起来，这就真的变成传说中隔空传物了。所以有时想想，古人说的那些仙人，法术，是他们凭空想出来的，还是说他们看到过更高文明的外星人后的描述。从学科发展的角度来说，将来每个人都能成为＂神仙＂。
　　顺便聊一下，有一个涉及到量子科学的著名实验，＂薛定谔的猫＂，本来限于篇幅不想写了，后来又一想，由于这个思想实验太有名了，就连伟大的物理学家霍金都说，听到这个实验，恨不得拿把枪去把那只诡异的猫杀死。所以聊量子，不说这只猫，总觉得不够完整。那我就简单的聊一下，顺便引出后面的内容。插一句，我当初还以为薛定谔是个华人，后来查资料才知道是个奥地利的西方人。
　　之前我们说到，微观粒子都能同时有几种状态。现在有一个密闭的箱子，从箱子外看不到里面的情况。箱子里面放了放射性物质，放射性物质会衰变，放出微观粒子。假设每小时会放出一个粒子，请问，1小时后，箱子里有没有粒子产生。没错，按照量子力学的理论，箱子里应该是＂既有粒子，又没有粒子＂的叠加状态。箱子里还有个机关，只要检测到有粒子，就会放出毒气，现在将一只猫放在这样的箱子里，再请问，在不打开箱子的情况下，1小时后，箱子里的猫是活的还是死的，没错，这是一只同时＂既活着，又死了＂的诡异的猫。可是世界上，怎么会有既活着又死了这种状态呢，完全不符合人类的常识。所以每个物理学家，第一次听到这个实验，都会急的挠破头，可就是没有答案。
　　说了这么多，有些朋友肯定也看出来了，其实我们这个世界，是有两部分组成，一个是宏观世界，就是我们平时生活的世界，它的一切都是确定的，比如一个人，要么向左走，要么向右走；要么在家里，要么在公司；要么生，要么死，所有的一切都有一个固定的答案。
　　另一个部分就是微观世界，微观世界有自己的一套运行法则，与宏观世界的完全不同。微观世界什么都是不确定的，都是讲概率。
　　同时，宏观和微观世界又有联系，宏观物质都是由微观物质组成的，那这个分界线在哪里，多少个微观物质组成可以称为宏观物质，10万个？一亿个？还是1百万亿个？如果我们能找到这个分界线，那我们就可以随意的控制宏观世界和微观世界的两套法则，到那时，我们人类的文明等级就要跃升一个台阶了。
　　二
　　说清楚了量子，那后面的内容讲起来就容易多了，先说说我国为什么要造量子计算机。
　　首先，是为了解决卡脖子的问题。大家知道，不管是传统电脑还是量子计算机，核心都是那块芯片。
　　我们现在用的传统电脑和半导体芯片技术，是美国人上世纪40-60年代发明的，本来，我们花钱买来用用也挺好，全球一体化嘛，大家各生产一部分，有钱一起赚。可是最近风向变了，美国感觉到威胁后，开始卡我们脖子，很多关键技术和部件，尤其是芯片开始限制我国购买。华为被迫出售荣耀手机品牌就是一个例证。
　　虽然我国已经意识到问题，并开始奋起直追，但是客观的讲，由于发展时间太短，我们的落后是多方面的，有报道说，去年我国共进口了大约3000亿美金的芯片，甚至超过了进口的石油，每年我国石油进口也差不多是2-3000亿美金，是我国进口最多的两种货物。
　　芯片这么大的需求量，国产率却非常低，计算机系统的核心芯片如cpu，半导体存储器等，几乎完全靠进口。目前发展最好的，是移动设备比如手机的部分芯片，国产率也只有15%左右。我国内地最先进的芯片代工厂，中芯国际，2019年可以量产14纳米的芯片，并且在7纳米的技术上有重大突破。台积电在2018年已经可以生产7纳米的芯片了。
　　其实传统芯片发展慢，还真不能怪专家没远见。实在是因为这个行业的发展太烧钱了。大家可能不知道，建一个像样的芯片工厂，要上百亿美元，而且每年还要再投入上百亿美元研发和技术升级。我在网上看到，我国首艘国产航母辽宁舰的造价大约为50亿美元，一个芯片工厂都可以造两艘航母了。以前国家不富裕，心有余而力不足，这两年有钱了，开始持续加大芯片领域的投资，每年都要花上百亿美元，可是一口吃不成个胖子，到底人家发展的比我们久。
　　现在机会来了，随着量子信息的技术革命，就像新能源车一样，我国在量子芯片上，看到了弯道超车的机会。量子芯片的工作原理，操作方式，乃至制作工艺与传统芯片都完全不同，大家都在摸着石头过河。
　　目前主流的量子芯片技术主要有三种，超导量子芯片、半导体量子芯片和离子阱。三者各有优缺点，我国主要发力的是半导体量子芯片，这个是将量子技术与传统的半导体生产工艺相结合，可以少走一些弯路，所以最有可能率先实现商业化。中国科学技术大学的郭光灿院士团队就是这方面的佼佼者，相关成果经常会上央视新闻。
　　除了解决芯片卡脖子的问题外，发展量子计算机的第二个原因就是，它的运算速度实在是太快了。传统电脑与它比，就好像走路和乘飞机的区别，完全不在一个等级。在量子信息领域，有个术语叫做＂量子霸权＂，说的就是这个意思。2019年，美国谷歌公司率先实现＂量子霸权＂，他们开发了一台叫＂悬铃木＂的量子计算机，只花了200秒，就完成传统电脑需要1万年才能算完的结果。
　　三
　　我国是第二个实现量子霸权的国家，并且成绩更惊人，这次新建成的＂九章＂量子计算机，同样只用了200秒，完成了传统超级电脑，需要6亿年才能完成的一个数学算法，大家可以感受一下这个差距，就好像有了汽车，还要啥自行车。
　　这里插一句，＂九章＂这个名字还是很有内涵的，是我国古代著名的一本数学著作，西汉末年就成书了。书中收集了200多个生产生活方面，与数学有关的应用问题，比如田地面积怎么计算，谷物该怎么换算等，古人学数学都离不开它，是一本标志性的著作。这次量子计算机取这个名字，也是蕴含着量子技术获得重大突破，是个里程碑式的成果。
　　虽然想低调一些，但还是要实话实说，目前国际上已公布的量子计算机中，我国的＂九章＂是最先进的，就拿美国谷歌的＂悬铃木＂来说，据官方媒体报道，＂九章＂的运算速度比＂悬铃木＂要快100亿倍。大家有没有个感觉，传统电脑升级一下，速度快个百倍已经非常不得了，一旦提到量子计算机，性能的提升都是多少＂亿＂倍做单位的。
　　这就是上文中提到，利用量子叠加和量子纠缠等特性，对计算机性能带来的指数级飞跃。说的具体点，电脑存储信息的单位叫＂比特＂，传统计算机，1个＂比特＂只能存储一个状态，（0或1），＂比特＂再多也只能表示一个固定的数据。
　　而量子计算机，1个＂量子比特＂可以同时存储两个状态（0和1的叠加），所以运算性能就比传统电脑快2倍。这还看不出差距，但是以此类推，＂九章＂拥有76个量子比特，可以存储2的76次方的状态，运算速度就比传统电脑快2的76次方，倍。我在网上查了一下2的76次方是多少，答案为4722366482869645213696说实话，我都不会念。这才是真正的划时代的技术。
　　量子计算机既然这么强大，那制造的难点在哪里，为什么还不快点普及呢。
　　主要原因还是因为量子芯片不够稳定，容易＂退相干＂。什么意思呢，简单的说就是，量子叠加的状态容易失效，从可以同时存储2个数据，变回只能存1个了。这就好比，绿巨人一下子变回了普通人，打架就没有什么优势了。如何能够让＂量子比特＂尽量不受环境噪声等的影响，延长它的相干性，是目前的难点和主攻方向，我国目前搞的不错，有重大突破，2018年还上了央视新闻。
　　还有一点想要说的是，虽然量子计算机潜力巨大，但是目前造出来的都是专用机，也就是说只能用来解决一个特定的算法问题。离我们想法的，像我们平时上班用的那种通用电脑，那还很遥远，一般估计至少还要20-30年，大家还要多等等。
　　四
　　最后在多说两句，如果大家留心的话，这两年我国的科技成果，真的如雨后春笋一般，一会冒出一个，一会又出来一个，而且每一个上新闻的，都是科技界的大事件，成果处于国际领先。从中可以看出，这些年的厚积薄发，终于看到成绩了。虽然报道出来的只是一小部分，但是科技界的整体提高，却是不争的事实。因为一项科技成果，需要许许多多相关专业和领域的共同努力，只要有一个相关领域有短板，都会耽搁整个科学项目的进展。所以我完全相信，接下来会有更多的喜讯公布出来，科学又是社会进步的基础，祖国的富强指日可待，大家拭目以待吧。