当我第一次阅读量子计算的介绍时，我感到极大的困惑和沮丧。

作为一个非理工科背景的人，试图去理解量子比特、测量、叠加、纠缠这些抽象概念似乎太过于困难和复杂。于是我花了很长的时间，决定写一篇入门级别的科普文，帮助像我这样的小白来认识量子计算以及它的深远影响。

用一句话来总结：量子计算代表了一种新的计算范型，其优势在于解决过去人们认为不可能解决、呈指数型增长的复杂的计算问题。它将在生命科学（新药研发）、化工（分子建模）、物流配送（运输优化）等行业得到最先的尝试，继而产生更多的商业应用场景。如今，量子计算已经成为各国科研团队角逐的焦点，将会有越来越多的科技公司和传统企业加入到量子计算的生态环境中。

目录

为什么研究量子计算

量子计算的基本概念

量子计算的应用领域

量子计算的商业公司

量子计算的远大未来

为什么研究量子计算

所有计算系统本质上都依赖于存储和处理信息的能力。

当今的传统计算机使用的是经典的计算模型来执行计算和处理信息，在这个模型中，所有信息都可简化为可以0或1的数位，所有运算处理都可以通过一或两位数位的简单逻辑（and, or, not, nand）来执行。在计算过程中，经典计算机会处于它所处理的所有字节的既定状态，因此具有n位的计算机会以2 ^ n种可能状态存在，即00 ... 0到11 ... 1。

相较之下，量子计算的魅力在于其丰富的状态。量子计算机也具有数位，但是其量子比特（qubit）可以表示为0、1或两者的组合，而不是单纯0和1。正是利用这种特殊的叠加形式，量子计算可以一次实现指数级的多个逻辑状态，这是任何经典计算机都无法实现。就算是美国能源部橡树岭国家实验室里的超级计算机，他都无法完全模拟咖啡因分子的结构，这种传统计算机需要10^48 数位解决的问题，在量子计算领域里只需要160个量子比特。

因此，量子计算机的重要性不在于取代传统计算机，而在于它代表了一种新的计算范型 (computing paradigm)，量子计算机可以与传统计算机的基础架构协同工作，帮助人们解决过去认为要不可能解决的复杂问题。

量子计算的基本概念

众所周知，理论物理学家查德·费曼早在1981年就发现了量子计算机的潜力。在麻省理工学院和IBM举办的第一届计算物理会议上，他以著名的演讲结束了演讲 ——“ 自然不是经典的。如果我们想模拟自然，最好将其设为量子力学，而且值得高兴的是，这是一个奇妙的问题，因为它看起来并不太简单。”

近期，我们逐渐弄清楚了量子计算机的一些基本概念以及它是如何处理信息的：叠加、纠缠、干扰等量子现象。在未来 这些新的计算要素将设计的可能范围扩展到算法中。

下面我会简单解释一下量子计算的基本概念。

1. 量子叠加：指的是量子具有介于 1 和 0 之间的无数个状态的概率。比方说，当你想象一块旋转中的硬币时，它可能是处于正面或者反面或者两者之间的状态。在这种叠加状态下，n个量子可以保持2^n的状态并行计算。

2. 量子测量：只有当人们试图观测量子的时候，量子才会从叠加状态坍缩，并且呈现出 1 或 0 的经典二元状态 。

3. 量子比特：经典计算机以比特为单位存储和处理信息，比特的状态可以为 1 或 0，但不能同时处于这两种状态。 量子计算中的等效项是量子比特，它表示量子粒子的状态。 由于叠加，量子比特可以是 1 或 0，也可以介于这两者之间。 根据其配置，量子比特具有坍缩为 1 或 0 的一定概率。 量子比特坍缩方式的概率取决于量子干扰。

4. 量子纠缠：当两个或多个量子粒子彼此纠缠在一起时，它们会形成一个系统，此时对一个粒子做任何操作都会对其他的粒子造成作用，人们不能独立于其他粒子的量子状态来描述任何单一粒子的量子状态，但是测量一个量子比特的状态可以提供有关其他量子比特的状态的信息

能否理解上述的概念，其实不太重要！

关键是，现在人们对于如何运用量子的特性来进行运算其实知之甚微。

现在的量子计算机必须放置在接近绝对零度的低温中运作，以延长其量子态，利用量子叠加和纠缠的特性执行更多的计算。 一旦外界环境（温度、移动等等）有微小的变动就会使得计算过程产生很多的噪音和错误。换而言之，量子计算机是极其脆弱、不容错的。

在未来，量子计算的进步取决于量子计算机能够承载的量子比特的提升以及计算过程中噪音的减少。

量子计算的应用领域

即便量子计算机是如此的脆弱，相较于经典的计算机，量子计算的整体优势在于解决呈指数型增长的复杂性问题。

此前，谷歌就在《自然》杂志150周年纪念特刊上宣布实现量子计算的里程碑，它们运用53个量子比特的处理器可以在200秒内运行全球最强的超级计算机耗时 1万年才能完成的计算（之后被IBM和学界质疑指出同样的传统超算机其实只需在2.5天时间内就可以处理相同任务）。

我们有理由相信，量子计算将在以下行业有潜在的应用场景：

• 化工、石油、天然气、能源

典型案例包括使用量子计算来模拟分子结构，尤其是蛋白质和聚合物的结构。

• 物流配送：旅游、运输、零售、消费品、电信、公共事业

典型案例包括使用量子计算来解决物流和运输优化类型的问题，尤其是路由和调度到电路。

• 金融市场、银行、保险

典型案例包括使用量子计算来管理投资组合的风险、建立复杂的决策树模型、以及制定金融衍生品的定价。

• 生命科学、卫生保健

典型案例包括使用量子计算来协助新药研发，尤其是解决蛋白质折叠问题。

• 制造业：汽车、航空航天、电子、工业

典型案例包括使用量子计算来制定生产计划、质量管控和供应链优化。

在未来，量子计算将会越来越多的应用场景，它可以帮助研发新型药物和材料的复杂分子建模，旨在减少堵塞的城市交通流量即时优化以及进行长期的天气预报，甚至破解当今那些用于保护通信以及金融交易安全的加密密码。量子计算机会比传统计算机更加快速以及高效地完成特定类型的任务，从而帮助人们获得更大的经济效益。

在当下，没有任何一家企业、研究所、国家能够实现量子霸权。无论是在硬件、软件、算法层面，量子计算机都还有很长的道路要走。

量子计算的商业公司

如今，有越来越多的企业开始投入研发量子计算机。一方面，大型科技企业（例如IBM，Google，Microsoft，Amazon）将其传统产品扩展到量子领域，另一方面，越来越多的初创公司在量子计算堆栈的各个级别上进行创新，整个市场正在迅速发展。

下面是我找到的一张极好的量子计算的市场格局图表，左边是全栈线研发量子计算的公司，右边则包括致力于软件应用程序、云计算、量子加密和人工智能、系统和固件、量子硬件的初创公司。

以下是一些主流的玩家的简单介绍：

1）IBM - IBM基本上是最早开始研究量子计算的企业，如今已经有200多篇关于量子计算实际应用的第三方研究论文发表。在2017年，IBM就推出了“世界上第一个为科学和商业用途而设计的完全集成的通用量子计算系统”，并且通过云服务开放这台计算机的强大算力。IBM也长期致力于建设量子社区的合作伙伴，其成员包括美国阿贡国家实验室、欧洲核子研究中心、埃克森美孚、费米实验室和劳伦斯伯克利国家实验室等等。

2）谷歌 - Google成立了专门的研究团队旨在构建量子处理器（QPU）并开发新颖的量子算法，以极大地加速机器学习的计算任务。2018年，谷歌宣布了公开NISQ量子计算机的开源框架Cirq，之后在2019年，谷歌在《自然》杂志发表的“使用可编程超导处理器实现量子霸权”就是使用其Sycamore 处理器来实现传统的超算机器无法完成的运算。

3）微软 - 微软一直在与量子合作伙伴共同建立Azure Quantum 的开放式生态系统，基于微软自己的量子研究和企业云产品/服务提供量子计算的解决方案。微软还提供了一种称为Q＃的开源量子编程语言以及两款量子开发新工具：Toffoli模拟器和资源估算器，用于执行特定的量子算法。

4）D-Wave Systems - D-Wave是一家加拿大量子计算公司，其早在2011年成为世界上第一家出售商用量子计算机的公司，早期客户包括洛克希德·马丁公司，南加州大学，Google / NASA和洛斯阿拉莫斯国家实验室。D-Wave量子计算机的硬件主要使用一种quantum annealing的方法来解决‘优化问题’，这与通用量子计算机有所不同。

5）Rigetti Computing - Rigetti Computing 由前IBM 应用物理学家Chad Rigetti 创立于2013 年，致力于量子计算系统开发，如今已经开发了自己的完整技术堆栈，其中包括QPU，称为Forest的软件开发套件，称为PyQuil的Python库以及可公开访问的量子云服务。他们还加入了合作开发组织AWS Partner Network（APN），成为解决方案提供商，与企业客户合作开发量子计算应用程序。

6）阿里巴巴 - 阿里云量子开发平台（ACQDP）是一个基于量子电路模拟的量子算法和量子计算开发工具。ACQDP在2020年10月的第一个公开版本提供了阿里巴巴量子实验室自研的基于张量网络收缩的通用量子电路模拟器，以及一系列在量子算法和量子纠错码模拟上的应用。目前，阿里云量子开发平台已经开源，代码托管在GitHub.

如今，量子计算的生态系统已经初具规模。

在未来，将会有越来越多的科技公司和传统企业加入到追求‘量子优势’的浪潮之中，利用量子计算的颠覆性计算能力来探索对企业业务有重大影响的应用场景。

量子计算的远大未来

几天前，中科大的技术团队与中科院上海微系统所、中国国家并行计算机工程技术研究中心共同合作，研制出76个光子的九章量子计算原型机，其研发团队声称‘九章’在求解5000万个样本的“高斯玻色取样”问题中只需200秒，相同的运算在超级计算机则需要6亿年。

那么，九章量子计算原型机的诞生是否意味着中国在“量子争霸”上取得了阶段性的胜利？

答案似乎是肯定的。不过，与通用计算机相比，“九章”还只是“单项冠军”，这种超强算力将在更多行业领域具有潜在应用价值。

如今，研制量子计算已成为世界科技前沿的最大挑战之一，是各国角逐的焦点。很多量子计算的研究者指出，量子计算会有三个指标性的发展阶段：

“第一阶段发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

第二阶段通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题，如量子化学、新材料设计、优化算法等。

第三阶段则是通过积累在专用量子计算研的各种技术，提高量子比特的操纵精度，使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值(大于99.9%) ，大幅度提高可集成的量子比特数目至百万量级，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。”

读到这里，或许有小伙伴会问，人类何时将进入量子计算的时代？

我个人认为，其实我们已经进入了量子计算的时代！

在未来五到十年里，或许我们还等不到人手一台的量子计算PC机，也会看到越来越多的企业开始投入量子计算的早期研究，挖掘稀缺的量子技术人才，建立知识产权，并将量子计算应用在实际的商业场景和工作流程中。

在那时候，’量子霸权‘将不再成为各家炒作的噱头，而是实实在在地推动人类的生产力，进一步改变整个社会中生产力与生产关系的平衡。