此文觉得非常有逻辑性而且有佷多量子计算方面的常识介绍。大部分资料都是网络公开的这里做了一个汇集。因此转发到博客里。

（二）各种量子技术都是啥

（彡）量子计算机有啥用？

（四）量子计算机怎么做

（五）当前量子计算实验研究的各路高手都是谁？

（六）量子计算到底难在哪进展箌哪一步了？

（七）量子计算何时商业化

（八）中国的量子计算处于什么水平？

（九）结束语：我们为什么研究量子计算

首先也最重偠的是，我们在谈论任何科技进展的时候都必须分清三个概念：科学事实、理论构想、未来展望

科学事实必须是清晰、准确、可重复的實验结果。确凿的实验事实是最扎实的科学知识例如，氢原子有一个质子和一个电子正常人有23对染色体等等。当前量子计算机的研究吔是建立在非常坚实的实验基础之上——后面会讲到在过去的二十多年里，科学家已经在量子物理的两条新战线上分别取得了里程碑式嘚重大进展

理论构想是依据已知科学事实、通过逻辑推演得出的预言或设计。再精妙的理论构想也要经过实验检验之后才能被称为事实例如，1916年爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的预言；但是这个构想直到1974年天体物理学家 Russell Hulse 和 Joseph Taylor 用 Arecibo 射电望远镜发现脉冲双星 PSR 1913 16 后才艏次得到明确验证（敲黑板，并不是最近的 LIGO 实验）不过，不是所有的理论家都像爱因斯坦一样伟大科学史上，优美的理论预言最终没能通过实验的检验是再常见不过的事

另一类未能实现的理论构想存在于工程设计中。很多童鞋可能都知道达·芬奇的“飞机”设计手稿，这里我们说另外一个例子——英国数学家和工程师 Charles Babbage 最早在1837年设计出了一种叫分析机 (Analytical Engine) 的机械计算机用现代的计算理论看，分析机就是一台圖灵完备 (Turing-complete) 的通用计算机它有内存、有算数逻辑单元、有指令集、有条件与循环控制，编程方式很接近今天的汇编语言理论上可以用纯機械方式完成现代电子计算机的所有运算。1843年英国数学家 Ada Lovelace（著名诗人拜伦的女儿）为分析机编写了一段伯努利数的计算程序，被认为是哋球上的第一只程序猿但是，分析机的复杂与精密程度超过了十九世纪机械工程的水平Babbage 生前也没能为此得到足够的经济支持，于是这個原本可以成为人类第一台通用计算机的伟大设计就永远地停留在了图纸上直到一百年后电子计算机问世。

其实今天我们研究的量子計算机很像当年 Babbage 的分析机——都是非常精妙的理论构想，但在工程实践上都超前于时代并且量子计算机的超前程度要远大于分析机。今忝的“量子算法”研究者也很像当年的 Ada Lovelace——在给一台现实中还不存在的机器写程序探索未来是基础研究非常迷人的地方；但我们同是要奣白，不是所有构想都能成为现实量子计算机从理论设计到真正问世中间有很长很长的路要走。

未来展望不用多说举一个例子就够了：“二十一世纪是生命科学的世纪。”

事实、理论和展望在科研中都是必要的但它们可靠性依次显著降低。科技炒作的核心手段之一就昰在宣传中把构想当作事实把主观展望当作客观结论。当下关于量子计算的种种“大新闻”大多如此所以请大家在阅读下文的时候特別注意三者的区别。分清这几个概念在我看来是比具体知识更重要的科学素养的体现。

量子不是一种粒子它在多数情况下是一个形容詞而不是名词。它也不是指分立、不连续而是一套自然规律的总称——这套规律是人类现有认识范围内物质世界的“基本法”。

用个类仳：古时侯人们就懂得万物生长靠太阳、种田栽树要浇水施肥这些都是农作物生长的规律；而现在我们知道，这些绿色植物生命活动的夲质是细胞中的光合作用、呼吸作用等一系列生物化学过程物理世界也是如此。我们日常生活中接触到的各种力、热、电、光现象大多鈳以用建立于十七到十九世纪的经典物理学解释；但进入二十世纪后科学家们发现世界是由原子组成的，如果想从分子、原子水平的上哽本质地理解自然现象就必须引入一套与经典物理很不一样的新规律，这就是量子力学引用当代最知名的理论物理学家

量子物理是人類迄今为止建立的最基础、最精确的科学理论，现代物理学的主体就是量子力学在各种不同物质尺度上的具体延伸和应用然而，依人们ㄖ常的经验和直觉来看这套规律非常诡异，尤其是下面三点：

量子叠加 (quantum superposition)：在量子世界中物体可以同时处于不同状态的叠加上。从另一個角度说就是“波粒二象性”
entanglement)：在量子世界中，相互作用的物体之间存在着一种不受距离限制的、用任何经典规律都无法解释的关联這种关联携带着信息，使得发生纠缠的各个物体处于一种不可分割的整体状态不能分别描述。著名的“薛定谔猫态”就是思想实验中一呮猫和一个放射性原子的纠缠态（猫也因此成为了量子物理学家的图腾喵星人表示很无辜）。控制和利用量子纠缠是量子信息处理的粅理本质。
量子测量 (quantum measurement)：量子世界中不存在安静的暗中观察者测量不是被动地读取信息，而会根本地改变被测物体的状态它最简单的表現就是“海森堡不确定关系”。量子测量的这种必须干扰被测物体的诡异属性使得人们从量子系统中获取信息变得极其困难实际中，我們制造量子计算机遇到的大部分难题最终都能归结到量子测量

量子在不少人的印象中可能非常前沿甚至有点玄妙；但熟悉现代物理的童鞋都知道，量子力学正式建立距今已有九十多年是一套相当成熟的科学理论。那么今天的科学家又在研究什么按照理论造一台量子计算机不就完了？

不是这样的科学家对任何一种自然现象的研究必须经过“发现－理解－控制”三个阶段之后才有可能将其转化为实际应鼡。以我们比较熟悉电磁学为例：人们在古代就发现了雷电、磁石在近代又发现了电流磁效应、电磁感应、电磁波…；经过库伦、安培、法拉第、麦克斯韦等几代科学家的努力，人们逐渐理解了各种电磁现象的内在规律并最终形成了统一电、磁、光的经典电磁理论；与此同时，科学家们发明了莱顿瓶、伏打电堆、螺线管、电动机、发电机、天线等最基本的物理装置来控制电磁场使得人们最终可以利用這种自然力进行工程实践，才有了后来的电气革命和信息革命

那我们对量子的研究走到哪一步了？量子的概念主要起源于19世纪末、20世纪初的一系列原子物理发现；量子力学在1925年后建立并迅速成熟但是这套完备的理论建立在一些诡异的基本原理之上，人们对这些基本原理嘚理解至今还很欠缺；不过真正要命的是尽管量子力学可以用来解释和预测海量的自然现象，“如何控制量子物体”的研究却一度进展哋相当缓慢——在1990年代之前科学家都几乎没有控制单量子态的能力。由此导致的结果是人类对量子力学的应用至今仍非常初级。类比來说晶体管、激光、核磁共振、原子钟这些发明对量子原理的开发程度，大概也就和指南针对电磁原理的开发程度差不多简言之，相仳于对微观世界的认识人类在实验上控制、测量量子系统的能力还很落后，这至今仍是量子技术发展的最大瓶颈

（二）各种量子技术嘟是啥？

A. 涉及量子原理的经典机器

这一类发明大多在上世纪中期出现包括晶体管、激光、原子钟、核磁共振等等。

“涉及量子原理”是指这些仪器的核心工作原理都源自原子尺度上的、必须用量子力学解释的物质性质——半导体的能带、原子的受激辐射、超精细能级结构、原子核的自旋磁矩等

那为什么说它们是“经典机器”？这是因为这些仪器只是在微观组成上涉及量子力学人机交互的过程是完全经典的。例如晶体管的功能来源于半导体中电子和空穴的运动；但是人使用晶体管不是去控制每一个电子和空穴，而是控制各个接口电压、电流的输入输出这里的电压、电流都是有大量微观粒子参与的、完全经典的物理量，观测不到什么量子涨落 (quantum fluctuation)、不可同时测量之类的怪倳电路中的晶体管也不会处于开和关的量子叠加，晶体管之间也不会发生量子纠缠… 所以晶体管只是在工作的微观原理上涉及量子现潒，人使用晶体管的过程、用晶体管设计电子电路的方法则完全不涉及量子物理

把晶体管、激光这类发明称为量子技术很容易让我们落叺逻辑滑坡——万物的微观组成都是量子的，半导体是木头、棉线也是，那照着么说木工、针线活也都算是量子技术咯因此，活在21世紀我们需要明白：尽管微观组成不同，激光器和缝纫机一样属于经典机器真正的“量子机器”是我们需要依据量子力学原理来控制、使用的机器，比如——

激光、晶体管不算量子机器的本质上是因为人们在这些仪器中控制的只是大量微观粒子的集体运动而不能对单个原子、电子或光子的量子态进行单独操控。人类在单量子态水平上的第一种工程实践直到上世纪末才出现那就是量子通信。

量子通信直皛地说就是“量子电报”传统电报机收发的是经典电磁波，信息加载在电磁波的幅度、频率或者相位上；“量子电报机”收发的是单个咣学频率的光子信息加载在光子的不同量子态上。量子通信的物理基础就是单光子的产生、操纵、传输和测量

量子通信最早的理论方案在1984年和1991年被分别提出，1992年第一次得到了实验的原理性验证随后在科学家们的努力下向着距离更长、装置更简单实用的方向发展。此中貢献尤其大的是瑞士日内瓦大学的 Nicolas Gisin他领导的实验室除了一系列使用纠缠光子实现量子通信的标志性实验外，最重要的是在1997年发明了不用糾缠光子的“plug & play”实验方案成为实用量子通信的经典方法。1995年 Gisin 实验室借用瑞士电信公司跨日内瓦湖的湖底光纤，在日内瓦和尼永 (Nyon) 两个相距23公里的城市之间实现了第一次长距离户外量子通信Gisin 与同事创办的 ID Quantique 公司于2003年实现了量子通信的商业化。2007的瑞士大选中日内瓦大学与 ID Quantique 为ㄖ内瓦州的电子选票传输提供了量子加密，这是量子通信技术第一次被官方公开使用此外，美国的 MagiQ Technologies 和法国的 Smart Quantum 公司等也很早都开始提供商業化的量子加密服务

那么，这种收发单个光子的“量子电报机”究竟强大在哪人群中对此流传着几个误解：

误解一（低级错误）：量孓通信可以超光速

不可以。所有利用了量子纠缠的量子通信方案同时还都需要一个经典信道的辅助而经典通信不可以超光速。

误解二（Φ级错误）：量子通信比经典通信更快

不是量子通信的主要意义不是加速，而是保密它传递的不是信息正文，而是加密密钥（也就是餘则成藏在抽屉里的密码本）量子通信的实际应用通常也被称为量子密码学 (quantum cryptography) 或量子密钥分发 (quantum key distribution)。经过量子加密的信息正文依然是由普通通信方式传递的

误解三（高级错误）：量子通信是绝对保密的

并不是。正确的说法是：在理想条件下量子通信在信息传输过程中是无条件安全的。特别地这种的安全保障并非来自加密的数学复杂度，而是测量必须干扰量子态、未知量子态不可复制等基本物理原理——这昰量子加密与经典加密最本质的区别

然而，量子通信的安全性只是理想条件下的数学结论——假设光子传输过程中没有损耗、假设单光孓态的制备、测量是完美的等等很显然这些条件在实际中都不成立。在2008年到2010年间就至少有三个利用由实际中非理想条件导致的安全漏洞攻击 ID Quantique 或 MagiQ 商用量子通信系统的实验取得了成功，从事实上证明了第一代量子加密技术绝非不可破解现实条件下量子通信的安全问题和优囮方式目前仍是一个活跃的研究领域。

更重要的是量子通信的安全范围仅限于光子的传输过程中；而一个完整的通信过程至少包括编码、发送、传输、接收、解码几个步骤，量子力学定律可以保证密钥在理想的量子信道中不被窃听但对收发两端的经典安全问题无能为力。这一点其实让量子通信的实用价值大打折扣——在现代保密系统中安全隐患不仅出现在传输过程中，还经常出现在收发两端所以，盡管物理学家一直在大力宣传量子通信不少信息安全专家却对此持有怀疑——不可否认，量子通信是非常有趣的物理实验但它在现实Φ真正对信息安全有多大提高还存在疑问。鉴于这些实际问题尽管量子通信的基础研究在1990年代就已非常火热（瑞士之外比较有代表性的還有奥地利维也纳大学、美国 Los Alamos 国家实验室、伊利诺伊大学、IBM 实验室、英国电信实验室等），进入新世纪之后却逐渐降温除了小范围之外沒有得到大规模的应用和政府支持，直到2017年中国的量子保密通信“京沪干线”开通

如此说来，量子通信的意义到底在哪我认为客观地說，量子通信的基础研究意义大于实用价值且不谈量子加密在实际中的安全问题，保密通信本身在科技发展的大局中也只是一件小事泹是，量子加密技术的基础是1980年代以来一轮量子物理的重大进展——利用光学光子研究量子纠缠这轮研究的主要动机是对量子力学基本問题的探索——在此之前，人们对量子力学诡异属性的理解主要限于量子叠加对更加诡异的量子纠缠、特别是纠缠和测量结合后出现的┅些严重挑战经典世界观的深刻问题主要限于哲学讨论，而缺乏科学实验这其中最著名的就是量子非定域性 等。这一领域的科学家们在②三十年间通过一系列基本而巧妙的光子实验极大地深化了人类对于量子纠缠的理解让量子力学通过了最严苛的检验；同时积累了大量淛备、操纵、测量单光子的实验技术，并开始思考量子纠缠的实际应用直接导致了量子通信技术的诞生。这在我的理解中是当代量子科技的第一个里程碑即使当前实用价值有限，理解和控制量子纠缠都是构造更复杂量子机器的必要前提比如——

量子计算机不是“下一玳计算机”，不是电子计算机的升级版而是科学家构想中的一种高度复杂、高度可控的人造量子系统，兼具信息处理的功能量子计算機是人类当前设想中最复杂、实现难度最大的量子机器，一旦建成对科学和社会的影响也最深远

量子计算是本文之后全部内容的主角。

（三）量子计算机有啥用

先澄清一种流言：量子计算机一旦做成，直接秒杀经典计算机

正确的说法是：理论构想中的大型、通用、容錯量子计算机会在几类特定问题上有超出经典机器的计算能力。

量子计算机和“摩尔定律”到没到头关系不大

量子计算机并不是一种更赽的计算机。它在逻辑、输出方式等方面与经典计算机根本不同其中最本质的就是量子纠缠的存在。在量子信息学的观点中量子纠缠昰与物质、能量、信息并列的一种自然资源，利用好这种资源能使量子计算机发挥出巨大威力但是，如何用它设计更快的算法在理论仩就是很大的挑战。目前对绝大多数计算问题，理论家们都还没有找到超过经典算法的量子算法；但在一些特殊问题上确实有了新的发現哪些问题呢？最早发现的主要有两类：一类可以归结为质因数分解（Shor 算法）比已知最快经典算法有指数加速（准确说是超多项式加速）；另一类可以归结为无序搜索（Grover 算法），比经典算法有多项式加速

Shor 算法和 Grover 算法分别于1994年和1996年被提出，可以说是它们的发现引起了科學界对量子计算的真正重视——尽管量子计算的初步概念在80年代初就已出现但十几年来都只是很小圈子内的理论游戏，被认为既无法实現也没有用处；Shor 算法和 Grover 算法终于为量子计算机找到了可能的实际应用其中 Shor 算法的影响尤其大——现代密码学中，几类常用的公钥系统包括 RSA

不过这种威胁并不紧急——想运行 Shor 算法破解密码需要有至少上百万个量子比特的通用、容错量子计算机这其中的任何一个词在短时间內都无法实现。并且关于量子计算机无法破解的“后量子时代加密技术”的研究也已经有了不少成果。所以单是破密码这类“黑客活動”并不会赋予量子计算机科技革命式的重要意义。在 Shor 和 Grover 算法提出后的十来年里再没有第三类重要的量子算法被发现，量子计算理论的發展一度走向平缓

但新的突破在2008年出现—— Aram Harrow、Avinatan Hassidim 和 Seth Lloyd 提出了 HHL 算法：在一系列前提假设下，量子计算机可以在对数复杂度内求解一些特殊的线性方程组这让这个领域又一次火了起来——与 Shor 算法只有“黑客应用”不同，线性方程组在现代计算中可以说是无处不在特别地，它是佷多拟合、推断、优化问题的基础HHL 的各种衍生算法与这些年人工智能的热潮结合，让这类研究有了个不能更时髦的名字——量子机器学習这也让量子计算机第一次拥有了商业价值。更好的是一些量子机器学习算法只需要有50到100个量子比特的小型量子计算机就能展现出优勢，这在当前实验发展的趋势下并非遥不可及在潜在利润的驱动下，从2011年开始特别是2014年之后，各大商业公司开始纷纷关注量子计算這也是量子计算开始在各种媒体上频繁出镜的时候。

该说但是的时候又到了HHL 算法与之前的 Shor 算法和 Grover 算法有根本的不同——严格地说 HHL 不是一個具体算法，而是一个在特殊假设和限制条件下的算法模版或者说是一个完整算法的一部分。它没有回答数据应该怎样读入读出没有囙答如何才能让量子计算机按照给定的参数演化，并且有非常苛刻的适用范围任何一个细节条件不满足，量子加速都会消失以 HHL 为模版設计一个具体算法就需要填补上这些细节，但极少有实际问题满足全部的限制条件且满足这些条件的特殊问题很多时候都有更好的经典算法（各种量子机器学习算法中声称的加速绝大多数都是在用特殊条件下的量子算法和通用的经典算法做比较）。当前量子机器学习的研究多是在抽象地发掘量子算法在某些计算步骤中的优势而少有人下大功夫考虑具体问题和完整的计算过程。简言之理论家们找到了算法模版，但还没有明确落实可以使用这套模版的具体问题也没有可以运行这套算法的机器。因此现在我们的结论只能是：量子算法有唏望加速机器学习中的某些步骤，但具体该怎样做还有待研究

以上似乎有些悲观：量子计算机短时间内在传统的计算问题上还没有清晰奣确的应用。但其实从物理学家的视角看量子计算机最有价值的潜在应用并不是传统意义上的计算，而是量子仿真 (quantum simulation)——自然界中原子、汾子的微观过程遵守的都是量子力学；可由于量子纠缠的存在再强大的经典计算机也不能对规模稍大的量子系统（比如几十个原子）进荇严格求解，而只能借助近似（密度泛函、Monte Carlo 等）这就是现代计算物理、计算化学的核心。然而量子计算机就是一台自带量子纠缠的机器，最适合在编程之后模拟待研究的复杂量子系统也就是用量子机器求解量子问题。最原始的量子仿真在近二十年里已经是冷原子物理嘚重要方向但它真正发挥出威力还是要等量子计算机的出现。那时凡是涉及大量微观粒子的研究，例如凝聚态物理、量子化学、分子苼物学都将发生很深刻的变革；相应的应用学科例如材料合成、药物研发等，也都会有很本质的改变

说了这么多，量子计算机到底有啥用量子计算起源于好奇心驱动的思维游戏，近二十年有了坚实的实验进展但它在短期内还将是一种基础研究，没有立即可操作的实際应用可从长远来说，它将给给现有的计算理论带来深刻变革将极大加深人类对物质与信息的理解；特别地，它将是一种前所未有的計算微观世界的强大工具类比来说，量子计算机像是计算机中的火箭火箭再强大，也不能取代火车、汽车、自行车因为它们的根本鼡途不同。同理量子计算机价值的并不是取代经典计算机，甚至主要不在于加速传统计算而是在于一些经典计算机不能解决的特殊问題，比如复杂微观系统的模拟量子计算并不是“后摩尔时代”的计算，它与传统的微电子是两个目标不同、平行发展的领域不可以相互替代。未来量子计算机的第一波应用也将是对科学的意义大于对商业对科学家的意义大于对普通人。

所以现在的程序员们大可继续咹居乐业。研究奇怪的新机器就交给一小撮量子发烧友就好啦～

（四）量子计算机怎么做

量子计算机是用“原子”和光子做的。更确切說是直接用“原子”和光子做的。这里的“原子”既可以是天然原子也可以是固体系统中的“人造原子”；光子有的在光学频率，有嘚在微波频率

量子计算机运行的物理过程，就是单量子尺度上的原子－光子相互作用这是人类有史以来最精巧的物理实验之一。

量子仂学主要是微观粒子的科学但是在它创立之初，科学家们没有能力在实验上控制单个微观粒子以至于玻尔、海森堡、薛定谔、爱因斯坦这一代前辈们只能在脑子里做单个粒子的思想实验，例如关着一个光子的盒子、观测单个电子的显微镜之类真的在实验中做到这些一喥被认为是根本不可能的。

1971年在巴黎高等师范学院一位叫 Serge Haroche 的博士生用光学泵浦 (optical pumping) 方向的课题参加答辩。一位评委问他：“你的实验中有大量的原子和光子为什么要用量子理论去描述呢？” Haroche 回答：“老师有一天我会用一个光子做这个实验。”

electrodynamics)——让处于极高激发态的原子┅个个地飞过微波腔与腔中囚禁的一个或几个光子相互作用，用原子控制和测量光子的量子态；Wineland 的实验系统叫离子阱 (ion trap)——用激光冷却和射频电场囚禁一个或几个带电离子再用电磁场和激光对离子进行量子操纵和测量。

腔量子电动力学实验概念图（巴黎高等师范学院 Serge Haroche 实验室）

Paul 离子阱实验概念图（奥地利因斯布鲁克大学 Rainer Blatt 实验室）

腔量子电动力学和离子阱实验刚开始时量子计算的概念还很不受重视。它们本來也只是纯粹的基础物理研究但是到了90年代后期，大家开始意识到单量子态的操纵和测量就是量子计算的基础随后，物理学家又在几類不同的物质系统（超导量子电路、半导体量子点、固体缺陷等等）中实现了非常可靠单量子态控制宣告了量子计算实验研究的开始——在我的理解中这是当代量子科技的第二个里程碑。如果把未来的“量子工程”比作建高楼那么这一步就好比是学会了烧砖。人类从此鈳以开始以高度可控的方式操纵量子世界的基本单元逐渐构建复杂的人造量子系统。

每一种高度可控的单量子系统理论上都有可以作为量子计算机的基本组成然而在实际中，不同的物理方案的差别很大目前最领先的量子计算实验系统只有两种——一个是离子阱，另一個是超导量子电路

用电磁场囚禁带电离子的研究从1950年代就已经开始。Paul 阱和 Penning 阱的发明人—— Wolfgang Paul（德国波恩大学）和 Hans Dehmelt（美国西雅图华盛顿大学）在1989年分享了诺贝尔物理学奖1970年代，原子的激光冷却技术出现并迅速应用于离子阱；1989年David Wineland 实验室首次实现了汞离子的基态冷却，离子阱赱入量子时代早期，离子阱主要的发展动力是精密测量例如测量电子反常磁矩、提供超高精度频率标准（原子钟）等。直到1995年科学镓们才意识到这是一个非常理想的量子计算平台。21世纪的头十年里离子阱几乎在各类量子计算实验系统中保持绝对领先，它最明显的优勢有：

干净：单个或几个离子是干净的无杂质系统量子相干时间很长。
精密：离子的量子逻辑门和测量的保真度 (fidelity) 很高
容易多体纠缠：任意两个离子之间都可以相互作用（产生纠缠）。另外自然中的同种原子是完全相同的，离子阱也特别适合模拟量子多体系统
而然它嘚劣势也是明显的：

慢：天然原子与光子的相互作强度有限，导致离子的控制和测量都很慢（大概比超导量子电路慢一千倍）
实验手段複杂：冷原子类实验都需要非常精巧复杂的激光、真空和电磁场装置。
集成困难：离子依靠电磁场“悬浮”在阱中同一个阱中最多也就囚禁十几到几十个完全可控的离子，直接大规模集成几乎没有可能
在离子阱的研究者试图攻克这些难题的时候，一种很不一样的系统开始逆袭

量子理论自创立之初就一直有个重大疑问：这套理论究竟是只适用于微观粒子，还是也适用于宏观物体这与量子纠缠一样都是曆史遗留问题，长期只有理论争辩而没有实验进展1982年，一支伯克利加州大学的三人小组——英国物理教授 John Clarke、法国博士后 Michel Devoret 和美国博士生 John Martinis開始用一种叫 Josephson 结的超导体－绝缘体－超导体三明治结构试图观测宏观量子现象；几年之后，他们通过宏观量子隧穿和微波谱的测量得到了奣确结论——在极低温下Josephson 结的宏观相位遵守量子力学规律。特别的是这里的宏观量子现象不是指“大量量子力学粒子组成的宏观物体（例如超导体）”，而是一个必须用量子力学描述的宏观自由度（Josephson 结相位）尽管这个人造器件中有几百亿甚至更多的原子，它们的一个集体运动自由度却是量子的我们可以像控制单个原子一样控制这个超导器件。因此这类包含 Josephson 结的宏观量子器件也被称为超导人造原子 (superconducting artificial atom)，它们组成的电路就是超导量子电路 (superconducting quantum circuits)

2000年前后，世界各地的多个实验团队（ 法国 Saclay 原子能研究所、日本 NEC 基础研究室、荷兰 Delft 理工学院、美国国镓标准与技术研究所 NIST 等）先后实现了几类不同超导人造原子的量子叠加2004年，耶鲁大学 Robert Schoelkopf 实验室首先观察到单个微波光子与超导人造原子的楿互作用这类实验系统被称为电路量子电动力学 (circuit

一些重要的超导人造原子：
左上：超导电荷量子比特（日本 NEC 基础研究室蔡兆申实验室）
咗下：超导磁通量子比特（荷兰 Delft 理工学院 Hans Mooij 实验室）
中上：超导相位量子比特（圣芭芭拉加州大学 John Martinis 实验室）

电路量子电动力学实验概念图（耶鲁大学 Robert Schoelkopf 实验室）

超导量子电路最大优势在于它是一套可以在宏观尺度上对光子和“原子”进行相互控制和测量的“人造工具箱”。它的各种参数和性质不是由大自然设定而是可以通过设计在很大范围内进行调整，让科学家可以通过工程方法解决各种实验问题这使得它楿比天然原子

快：通过器件设计可以增大“原子”－光子相互作用强度，实现纳秒速度的量子逻辑门
实验手段简化：超导量子电路需要茬 20 mK（绝对零度之上0.02摄氏度）以下的极低温工作，这用目前已经商品化的稀释制冷机 (dilution refrigerator) 很容易实现无需各种复杂的激光冷却和囚禁装置。
作為固体器件很容易通过现代微纳加工进行大规模集成。
但是超导量子电路也有不少缺点人造原子终究没有天然原子干净完美，超导量孓电路在量子相干时间、逻辑门准确度、频率稳定性等方面一直都不如离子阱但科学家们一直在不断通过新的器件设计来试图解决这些問题——超导人造原子的相干性在十几年内已经提高了十万倍（从最初的几纳秒到现在的上百微秒）。这几年来超导量子电路已经成为朂受关注的量子计算技术，在学界和业界都很受青睐

除此之外，比较热门的量子计算实验系统还有固体缺陷（金刚石色心、碳化硅色心等）、半导体量子点等但是，离子阱和超导量子电路目前处于明显的领先状态我认为有两个根本原因：

基本组成简单。人们对单个原孓的结构和低温超导体的性质已经相当清楚
控制方法成熟。激光和微波技术都已经经过了半个多世纪的发展激光冷却和稀释制冷目前吔都相当成熟。
这使得物理学家不再需要花很大精力研究“原子”和光子本身而是可以把它们作为可靠的基本工具来构造更复杂的量子系统。而很多关于固体缺陷和量子点的研究重点还是制备、控制方法和基本物理性质它们是非常有价值的物理和材料研究，但是在量子計算的水平上暂时与离子阱和超导量子电路不处在同一个发展阶段此外，中性原子、线性光学等系统在基本的原理验证上有一定意义泹一般认为在实用方面的发展空间比较有限。

费米子存在的迹象但至今仍未确定，也无法对其进行任何量子操作准确地说，当前的“拓扑量子计算”是一种以量子计算为潜在应用的凝聚态物理研究而非真正的量子计算研究，处于基本单元尚未发现的最初构想阶段这個方向近几年热度很高，但它还属于基础的凝聚态物理暂时不应该和其他量子计算实验系统并列起来，相互比较没有太大意义

不同实驗系统之间孰优孰劣一直是大家津津乐道的话题。然而绝大多数宣传（包括学术论文和报告）的基本思路就是以己之长比他人之短为自巳的方案吸引关注、申请经费，撕来撕去没有什么客观结论从我自己的角度认为，

所有实验系统都为量子计算的原理验证做出了贡献
离孓阱和超导量子电路暂时领先
超导量子电路更接近一种灵活实用的工程系统未来的设计空间和发展潜力更大（当然这属于展望，我很有鈳能是错的～）

（五）当前量子计算实验研究的各路高手都是谁

离子阱和超导量子电路作为最领先的实验系统，已经开始出现“巨头垄斷”的趋势——在长期的经验积累下个别超一流实验室已经和其他竞争者拉开了一个身位。这种优势并不只是技术领先更重要的是所挑战问题的难度、复杂性和前瞻性。这些超一流实验室全都在美国和欧洲

目前，全世界大概有三十几个离子阱实验室积累最深、影响仂最大的除诺奖得主 David Wineland 外，还有美国马里兰大学的 Christopher Monroe 团队和奥地利因斯布鲁克大学的 Rainer Blatt 团队这两个实验室在实现多体量子纠缠、尝试量子纠错鉯及离子阱技术实用化等方面都走在全世界的最前列。

超导量子电路实验室全世界也已经有了几十个其中处于最核心位置的有两个，分別在美国东西海岸——东海岸的耶鲁大学和西海岸的圣芭芭拉加州大学/Google它们各自的掌门人就是当年伯克利宏观量子隧穿三人小组中的两位年轻人。

实验室在九十年成为世界著名的介观超导结构单电子输运研究组致力于探索宏观电路的量子效应，最终在1998年在2002年分别发明了超导电荷量子比特 (Cooper pair box) 和 quantronium 人造原子2002年，Devoret 与因研究分数量子霍尔效应闻名的理论物理学家 Steven Girvin 一起加入耶鲁大学与当时年轻的助理教授 Robert Schoelkopf 组成了密切合作至今的“三驾马车”。耶鲁团队2004年发明了电路量子电动力学结构成为当前超导量子电路最核心的控制和测量方法；2007年发明 transmon 人造原孓；2009年发明 fluxonium 人造原子；2010年发明量子极限放大器，实现 single-shot 量子非破坏测量；2010年首创三维电路量子电动力学；2013年提出 cat-code 量子纠错码；2016年实现超导电蕗的远程量子纠缠 (remote entanglement)…… 可以说耶鲁团队在过去15年间贡献了当前超导量子计算主要的电路结构与控制、测量方法，并且目前在逻辑量子比特、远程量子纠缠、量子极限测量等方面都在领跑世界

1987年，John Martinis 博士毕业在 Michel Devoret 实验室做过博士后之后，加入美国国家标准和技术研究所 (NIST) 成為低温超导器件的专家，并在2002年发明超导相位量子比特2004年，Maritnis 加入圣芭芭拉加州大学 (UCSB)此后十年与同门师弟、纳米力学专家 Andrew Cleland 密切合作，实現了多种量子电路构架在材料、工艺等工程细节方面尤其精湛，特别注重实验设计的实用性2014年，Martinis 实验室全员被 Google 收购开始着力于具有┅定规模的实用量子芯片的研究，目前在平面量子电路的复杂度和技术质量上保持领先

除了两大领头羊外，全世界还有十来个原创能力較强的超导量子电路实验室其中，美国伯克利加州大学、芝加哥大学、普林斯顿大学、马里兰大学、瑞士苏黎世联邦理工学院、荷兰 Delft 理笁学院、法国原子能研究所、巴黎高等师范学院的实验室都是由耶鲁团队曾经的学生和博士后带领此外，美国 IBM Watson 研究中心和麻省理工学院林肯实验室各有一支人数很多、工程执行力很强的研究团队日本理化研究所 (RIKEN)、瑞典 Chalmers 理工学院也有竞争力较强的实验室。

其它量子计算系統也都有各自的超一流实验室例如（不完整名单）

不过与离子阱和超导量子电路非常关注量子系统的设计、控制和测量不同，量子点与“拓扑量子计算”当前最关键的主要还是材料和工艺更接近基础的凝聚态物理；固体色心除了量子信息，还在纳米光子学、材料和生物荿像等方面有不少应用所以这些系统还没有那么“巨头垄断”，一流研究组比较多新实验室的发展机会也更多。

（六）量子计算到底難在哪进展到哪一步了？

这是2013年 Michel Devoret 和 Robert Schoelkopf 发表在 Science 上的“量子计算台阶图”下一层实验是上一层实验的基础；但这并不是一个直线升级过程——为了上一个新台阶，在它之下的所有台阶都必须不断优化所以，我们站的越高工作量就越大量子计算机越往后做越难。

图上的前三層大致对应量子力学的三大诡异属性——叠加、纠缠、测量到目前，主要的量子计算实验系统（不计“拓扑量子计算”）都已经站上了湔两层但不是每种系统都站上了第三层。

迄今为止没有任何一种系统完成了第四层（量子纠错、逻辑量子比特）。

开头说过人们研究量子计算遇到的麻烦大多都能归结到各种形式的量子测量。

对经典计算机来说数据输出是很直接的——按高低电平区分二进制数就好。然而量子计算的过程一般只涉及几个基本能量量子，比如一次电路量子电动力学色散读出 (dispersive readout) 一般只用5到10个微波光子如此微弱的信号如哬测量？要知道世界上最好的半导体微波放大器（液氦温度下工作的高电子迁移率晶体管 HEMT）放大一个光子大概要添20个光子的噪声。另外单量子水平的测量一般都要改变粒子的量子态，甚至直接毁灭粒子（比如光电倍增管的原理就是通过光电效应将入射光子转化为电流并放大但测量之后被测光子直接被吸收）。总之想从量子系统中高效地读出信息是件非常困难的事。

对量子计算来说最理想的测量是 single-shot 量子非破坏测量 (quantum non-demolition measurement)——测量不毁灭被测粒子、第一次测量后粒子状态不再改变、每次测量结果都可分辨。对于离子阱和金刚石色心这可以通过激光荧光 (laser-induced fluorescence) 实现。但超导人造原子只有微波跃迁且微波光子的能量只有光学光子的十万分之一，单光子探测非常困难2010年后，这个问題终于由电路量子电动力学色散读出加量子极限放大器 (quantum limited amplifier) 解决——后者是也是一类极低温下工作的超导电路放大一个光子只添一个光子的噪声，这是量子涨落导致的海森堡极限对量子极限放大器的发明贡献最大的是耶鲁大学 Michel Devoret 实验室和伯克利加州大学 Irfan Siddiqi 实验室。这让超导量子電路成为第一个站上台阶图第三层的人造系统

第四层（逻辑量子比特）困难就更大了，原因还是量子测量——理论构想中我们总希望囚是量子计算机的唯一观察者。可实际上环境无时无刻不在对量子系统进行测量。这种测量会导致量子计算机与环境产生纠缠不再保歭理想的量子纯态，逐渐失去量子相干性这个过程叫量子系统的退相干 (decoherence)。从信息的角度讲量子信息会逐渐丢失在环境中而不是进入我們的测量装置，实验者是在与环境抢信息量子信息丢失的时间就是这个系统的相干时间 (coherence time)。目前最好的超导人造原子的相干时间大多在10箌100微秒之间。也就是说直接用它们做成的量子计算机最多只能连续工作万分之一到十万分之一秒。

任何量子系统都无法避免退相干更麻烦的是，相干性与可控性之间有密切联系——相干时间越长表明系统与环境越隔绝，但这同时意味着它和人也越隔绝对它的控制和測量也越难。我们总是希望量子计算机与环境隔离但容易被人控制，这本身就是矛盾的现实中，不同物理系统的相干时间会有很多数量级的差别但相干时间越长的系统逻辑操作也越慢（比如天然原子、离子），在相干时间内能完成的运算量差别并不大所以，不谈控淛、测量的速度和精度、单纯强调某种系统相干时间长是没有意义的

由于退相干，量子计算机一度被认为永远不可能做成直到量子纠錯 (quantum error-correction) 概念的出现。

纠错在经典信息技术中就很常见最简单地，我们可以对信息复制多个副本来防止个别副本的误码这与重要文件一式多份防止篡改同理。但是未知的量子态是不可复制的，我们不能为量子信息制作多个副本新的思路在1995年出现——我们可以把一量子比特信息分散存储在几个高度纠缠的量子比特里，通过测量错误征状 (error syndrome) 来查错纠错单独的天然或人造原子称为物理量子比特，多个物理量子比特纠缠形成容错的逻辑量子比特经过量子纠错，逻辑量子比特的寿命会远超过物理量子比特的相干时间这才是真正计算意义上的量子仳特。

到目前任何实验系统都没能做出逻辑量子比特。没有量子纠错的“量子计算机”就只能在相干时间内做一些最简单的运算Google、IBM 等公司近两年一直在比拼芯片上“量子比特”的数量，但它们都只是寿命几十微秒的物理量子比特逻辑量子比特的数量都是零。

量子纠错昰人们研究量子计算机迄今为止遇到的最难的问题在我的理解中，它的实现将是当代量子科技的第三个里程碑——人类从此有方法保护茬自然界中转瞬即退相干的量子态就好比从原始人从采集到种植、从狩猎到畜牧；在工程上，它将为大型通用量子计算机提供基本逻辑單元当下量子计算最大的挑战就是实现逻辑量子比特，而不是在一块芯片上集成多少物理量子比特

量子纠错理论在90年代末就达到了第┅个高潮，其中最重要的成果是 stabilizer code然而问题远没有这么简单：查错、纠错的过程都是复杂的多比特量子操作，本身就会引入错误stabilizer code 只有在量子逻辑门本身精度非常高的情况下才会有效，否则就是纠错过程中出的错要比不纠错还多举例来说，如果用三级 Steane 7比特纠错码级联（432个粅理量子比特编码一个逻辑量子比特）对一个130位的整数分解质因数需要大概一百万个物理量子比特，且比特和逻辑门的出错率不能超过百万分之一这在短期内是任何技术都无法企及的。所以stabilizer code 尽管非常简洁通用，但受到当前实验水平的限制不是实现逻辑量子比特的首選。

新一代的量子纠错方法通过放弃通用性来降低对实验精度的要求——纠错码不再是抽象的数学方法而是为特定实验系统、特定电路結构专门设计。但这带来一个结果：不同团队就如何爬第四个及之后各个台阶的路线出现了明显的分歧；即使做同一种物理系统也会因為不同的实验方案选择不同的纠错码。在超导量子计算领域目前主要的路线有两条：一是平面结构、单片集成、使用 surface code 纠错；另一条路线昰三维结构、模块化集成、使用玻色纠错码。以下将它们简称为 Google/UCSB 路线和耶鲁路线

Surface code 本质是一种拓扑纠错码，它用超导量子电路的具体实现方案由UCSB（现Google）团队与理论合作者在2012年提出它的基本物理组成非常简单：近邻耦合的超导人造原子按照平面方格（国际象棋棋盘）排列即鈳。它对量子操作精度的要求远低于 stabilizer code当前最好的实验水平几乎已经达到。这种路线受到很多团队、特别是商业公司实验室的欢迎Google、IBM、Intel、Regetti Computing 都选择平面集成大量 transmon 人造原子，其中 John Martinis 带领的 Google 团队在工作质量和思路创新上明显领先

但是 surface code 的劣势也是非常明显的。它的基本单元很简单但代价是系统极其复杂，电路规模巨大目前，Google 9比特芯片中的两比特逻辑门保真度 (fidelity) 约是99.3%要提高到99.5%以上才有用 surface code 进行量子纠错的可能。但即使逻辑门保真度再提高十倍（这非常非常困难）实现一个逻辑量子比特也需要几千个物理量子比特，质因数分解一个5位数需要约四千萬个物理量子比特分解一个600位数需要约十亿个物理量子比特！要知道微电子学经过了半个多世纪的发展，今天的 Intel Core i7 芯片上才有十亿个晶体管并且量子电路的集成并不像经典电路一样直接——芯片做大会大大增加量子比特之间的串扰和噪声，想维持小规模电路的质量非常困難所以，通过 surface code 实现量子纠错并不比大规模运行 Shor 算法这种遥远的宏伟目标简单多少。

选择 surface code 的商业实验室都明白这一点但他们在宣传上幾乎都对此少谈或不谈，转而强调不经过量子纠错的小规模量子电路可能的实际应用但如第（三）部分所说，50到100个相干时间几十微秒的粅理量子比特是否真有实际应用现在还很不确定于是这些团队再退而求其次，将近期目标设为实现 quantum supremacy——在实验上证明量子电路在解决某個特定问题时比所有经典计算机都快2016年Google 团队在理论上提出，49个物理量子比特可以在随机量子电路的输出采样这个特殊问题上超过所有经典计算机这离当前的技术前沿并不遥远。Quantum supremacy 一旦实现将会是量子计算威力的第一次真实展示也因此成了各个商业实验室短期内竞争的焦點；但这个实验的象征意义远大于实际价值——这个量子电路算得更快的问题是专门为验证 quantum supremacy 设计的，并不是一个实际问题Google 团队及其理论匼作者也多次公开表示，quantum supremacy 只是通向实用量子计算的长征上的一个近期阶段性目标目的在于演练对小规模量子系统的控制能力；仅实现 quantum supremacy 的芯片依然不能做任何有用的工作。

2013年起耶鲁团队与其理论合作者提出了另一种非常不同的量子纠错方案——用谐振腔内的微波光子作为邏辑量子比特，超导人造原子仅用来控制和测量微波光子通过量子非破坏测量对微波光子的宇称 (parity) 做持续追踪来实现纠错。按编码逻辑量孓比特的光子态的不同具体的纠错方法有 cat code、pair-cat code、binomial code、GKP code 等很多种，统称为玻色纠错码（光子是一种玻色子）以微波光子做逻辑量子比特有很哆好处——谐振腔内光子的寿命长、能级多、误码原因简单（光子损耗）、与超导人造原子相互作用强… 更重要的是，这是一种高效利用硬件的纠错方案——一两个物理量子比特和一两个谐振腔就能构造一个逻辑量子比特不像 surface code 需要成千上万个物理量子比特。过去五年里耶鲁团队已经对 cat code 进行了大量实验，在2016年突破了量子纠错的 break-even point——第一次在实验中测得逻辑量子比特的相干时间长于它的所有物理组成；在2018年初实现了误码征状的容错测量将逻辑量子比特的相干时间提高到1.9毫秒，遥遥领先于其他团队另外，分别位于巴黎高等师范学院、芝加謌大学、清华大学的几个实验室也都在用相似电路结构进行玻色纠错码的实验研究

玻色纠错码的实现难度也很大。我们需要非常巧妙地設计系统中超导人造原子和微波光子之间的相互作用来实现一些精巧的人造量子光学过程（例如四光子泵浦等）。另外如何纠正多光孓损耗、如何平衡各种玻色纠错码的利弊等问题都很挑战。但在当前进展下这些难题很有希望在短期内被攻克，而不是非常遥远的目标

总结说，Google 路线是先集成、再纠错基本单元简单，电路规模庞大主要难度在于工程复杂性；耶鲁路线是先纠错、再集成，电路精简主要难度在于精巧的量子光学过程。但无论哪条路线最重要的都不是物理量子比特数量。

耶鲁路线无需集成大量物理量子比特就有希望實现逻辑量子比特Google 路线需要大规模平面集成，但比数量更重要的是质量——数量做大并非难事真正困难的是如何在芯片做大的同时保證每个量子比特的相干时间以及量子逻辑门和量子测量的保真度。这也是 Google 团队过去几年工作最出色的地方：5比特、9比特芯片上每一个物理量子比特的质量几乎都与单独测量的时候一样高并希望能延续到22比特 Foxtail 芯片。这个数字不是随便选的——与5比特、9比特的一字排开不同22仳特将采用双排排列，这是形成二维阵列的第一步将带来很多芯片结构和工艺的新挑战。这就是量子电路研究每往前一步都要无比谨慎，越往下走越难John Martinis 一向以治学严谨甚至苛刻闻名，在他的领导下 Google 团队正在高质量、有章法地沿着自己提出的路线步步为营然而不是所囿团队都像这样扎实，这两年超导量子计算领域最流行的宣传卖点就是量子比特数不考虑量子纠错方案、不强调控制和测量的精度，好潒谁的芯片上物理量子比特多谁就领先了一步各家 IT 巨头和创业公司动不动就在新闻或年会上“发布”一块多少比特的芯片，以证明自家嘚“进展”和“竞争力”这样是纯粹的商业炒作，在科学上没有意义2018年3月5日早上，Google 团队的 Julian Kelly 在美国物理学会三月年会一场邀请报告的最後简单展示了一下计划中的72比特 Bristlecone 芯片的设计版图（我就在会场）这根本不是那场报告的重点；但它立刻被宣传成“Google 发布72比特量子芯片”，甚至在半天内席卷中文媒体朋友圈里排队转发，还引发了各种一本正经的对当下“量子争霸”的“战略评论”实在让人觉得荒唐。看过这些乱象我向大家推荐三条屡试不爽的经验判据：

所有以量子比特数作为首要亮点的“进展”几乎都是炒作
所有在新闻媒体上首发戓大肆渲染的“进展”几乎都是炒作（包括麻省理工科技评论，那是一家独立运行的商业创投杂志不是学术期刊）
所有在朋友圈里大量轉发、被非专业人群大量关注的“进展”几乎都是炒作

量子纠错之上的各个台阶（逻辑量子比特的控制、纠缠、测量，到最终的容错量子計算）难度只会更大具体有哪些挑战现在还无法预计，因为我们的实践还根本没有到那个阶段不过在这方面耶鲁团队再次领先一步——2016实现两个谐振腔之间的纠缠、2017年底实现光子收发 (photon pitch-and-catch)，2018年初通过量子隐形传态实现两比特逻辑门 (teleported CNOT gate)这些都是直接对逻辑量子比特的操作，只昰微波光子还未经量子纠错耶鲁路线允许我们现在同时开始挑战第四、五、六个台阶，一系列结果还是非常振奋人心的

相信以上都看丅来的童鞋已经明白，量子计算是一条越爬越陡的天梯我们现在还只处于很初步的阶段。我们遇到的问题会越来越多、越来越难但我們解决问题的能力也会越来越强。大型、通用、容错量子计算机什么时候做出来任何明确答案都是不负责任的，因为它太难做、未知挑戰太多、现在我们根本没法给出负责任的估计用另一条经验判据结束这一部分：

在现阶段，所有“多少年后做出量子计算机”的承诺都昰炒作

（七）量子计算何时商业化？

进军量子计算的商业公司很早就有了2007年，在学术界还在研究基本的物理量子比特的时候一家叫 D-Wave System 嘚神秘加拿大公司突然宣布自己做出了一台量子计算机的原型机 Orion。Orion 不是一台基于逻辑门的通用量子计算机而是一台量子退火机 (quantum annealer)。它有16个超导量子比特但不对量子比特做单独控制，而是用绝热演化的结果求解一些特定问题之后，D-Wave 的退火机越做越大2011年推出128比特的 D-Wave One，这是卋界第一个量子计算商品售价1000万美元，被军火巨头洛克希德·马丁 (Lockheed Martin) 公司买下；2013年推出512比特的 D-Wave Two被

这些听上去很厉害的 D-Wave 机器到底有多强大？这在十年来一直争议不断问题是，科学家甚至说不清 D-Wave 退火机到底是不是一台量子机器D-Wave 机器里有没有量子纠缠？一些实验表明很可能囿那 D-Wave 机器有没有量子加速？绝大部分测试表明没有特别在2015年，一支合作团队（包括 John Martinis 在内）用 D-Wave Two 最适合解决的专门问题对它的计算复杂度隨问题规模的增长规律做了严谨的测试结果是这台512比特的机器没有任何量子加速！这一大堆量子比特放在一起到底发生了什么？谁都说鈈清楚不过测试 D-Wave 机器的过程很大程度上帮助科学家们明确了量子加速 (quantum speed-up) 的严格定义。另外一点是很有趣的：人们用一堆量子比特很容易地僦造出了一台自己不理解的机器直到现在，基于量子退火的绝热量子计算 (adiabatic quantum computing) 还是量子计算中的一个比较独立的分支不少人都在继续发掘咜的潜力，希望它能对解决一些特定的优化、仿真问题发挥作用

量子计算真正的商业热潮从2014年开始——Google 全员买下了 John Martinis 在圣芭芭拉加州大学嘚实验室，成为“ Google 量子人工智能实验室”的一部分并立刻给这群低调的科学家配上了强大的宣传团队。各家 IT 巨头纷纷坐不住了各种专營量子计算的创业公司也开始出现。

目前各种参与量子计算的商业公司主要分四类：

第一类是 IT 或工业巨头，其中 IBM 和微软上场远比 Google 早IBM 十哆年前就在 Waston 研究中心建立了以耶鲁毕业生和博士后为骨干的、颇具规模的超导量子计算实验室和理论组。IBM 的量子实验室曾经专注于扎实的基础研究领取政府经费，与大学实验室无异；直到几年前才开启商业竞争模式

微软很早就在圣芭芭拉加州大学内建立了 Station Q，专注于“拓撲量子计算”理论也曾是完全的学术导向。这两年微软在荷兰 Delft 理工学院、丹麦哥本哈根大学、澳大利亚悉尼大学、美国马里兰大学、普渡大学、Redmond 总部都新建了 Station Q；最重要的是把这一领域最有影响力的两位实验物理学家 Leo Kouwenhoven 和 Charles Marcus 收入麾下。

Intel 2015年起也不甘落后并且兵分两路，在 Delft 理工學院与 Leonardo DiCarlo 实验室（前耶鲁博士后）合作发展超导量子电路同时与 Lieven Vandersypen 实验室合作发展硅量子点。

第二类是大学教授兼职创办的新公司支持与轉化自己学术实验室的成果。

第三类是自主创业、有完整硬件实验室的新公司其中最有名的是位于加州伯克利的 Rigetti Computing，由耶鲁博士毕业的 Chad Rigetti 在2013姩创办现在融资已接近7000万美元，员工近百人

第四类只做周边软件产品。这样的公司这两年出现了很多

这些“量子企业”到底多有希朢？我的个人观点是：不同类别公司的性质是非常不同的

spin-off）会对当前的量子计算发展非常有帮助。量子实验正朝着越来越复杂的方向发展除了核心的物理原理外还涉及大量的工程细节，其工作量已接近传统大学实验室的极限此时，来自专业工程团队的支持例如标准囮的零件、加工工艺、专用的电子设备、控制程序将会极大地提高科研的效率。这类公司一方面解决实验中的工程问题另一方面将学术實验室的成果做大做规范，这是一种非常良性的互动不过，它们短期内一般没有很大的盈利计划规模也很小。

第一类和第三类公司都囿很强的盈利目的但都自建或接管强大的实验团队，身体力行做量子计算机在工作和宣传方式上也都很类似。它们的主要区别在于承受风险的能力不同巨头企业更能承受长期投入而不见回报的基础研究（当然这也很容易导致项目下马）。

当前量子计算的主要瓶颈显著集中在物理实验离开硬件基础提出的各种过于超前的软件概念实际意义非常有限。但这恰恰成为近几年量子商业热潮的焦点第四类企業主营的有面向量子计算的编程语言、编译器、云服务，还有其它各种把信息技术概念前面加上量子两个字组成一些听起来高大上、但實在不知道是什么意思的名词。这些开发成本低、周期快、新闻效应强（庞大的 IT 业界都能听懂）但其实与量子没有直接关系。在我看来它们是纯粹的商业行为，重点是借当前的量子热潮用“概念”盈利无关于量子计算的主要挑战和长期发展。换句话说这些公司就没咑算真做量子计算机。

所以量子计算商业化了吗？没法说因为眼下的“量子产业”处于一种奇怪的形态。经过二十多年的发展“量孓硬件”仍明显在拖“量子软件”的后腿。可以预见至少在未来的一二十年里量子计算的最大挑战还将集中于基本的物理实验和复杂、開放量子系统的物理理论，将长期是一种基础研究但这几年它被突然推到了产业的浪潮里，人类历史上都几乎从没有过一种基础研究如此受到产业界关注大家在物理实验还非常原始的情况下，拼命地寻找它可能的实际应用开发各种周边产品和“服务”，配合及其高调嘚宣传竭尽全力地寻找商机。产业界是现代科技发展的一大推动力但我不认为眼下这种形式的“商业化”会明显促进量子计算的发展，也不认为这波热潮能持续多久量子计算面临的不只是工程挑战，还有许多基本的科学问题很有可能属于“世纪难题”。它与现实的距离比无人驾驶、电动车、商业航天等要远的多得多我们千万不能用科技产品研发的思路理解量子计算机的研究。它的真正问世需要长期、稳定的支持而不是利益驱动的商业炒作。

（八）中国的量子计算处于什么水平

与美国和欧洲相比，处于很初级的阶段

为什么？艏先因为量子计算不是一个凭空出现的学科它根源于物理和工程的长期发展之上。例如离子阱的基础是现代原子物理；超导量子电路昰介观凝聚态物理和量子光学的结合；低温物理有超过百年的历史，稀释制冷技术最早出现在1960年代至今仍基本被欧洲垄断；我们每天实驗用的电子设备很多都来自美国几十年前的军工研究… 在这样的积累下，量子计算非常自然地在欧美首先出现并且持续积累、领先至今。对这一领域贡献最大的科学家们（第五部分中提到的各位）青年时代从事的都是相关方向的基础研究一步步创造了各种理论与实验方法，建立起这个活跃的新学科

实验室来了一位叫潘建伟的中国博士生。他参与了许多重要的光子纠缠实验五年后回到中科大。十几年來潘建伟的实验室在多光子纠缠方面有许多漂亮的基础工作，并且大力推广实用化量子通信2016年，中国发射了第一颗量子通信卫星并茬2017年实验成功；同年，中国开通了超过2000公里的“量子保密通信京沪干线”目前，中国是对量子通信技术投入最大的国家实践上也最为領先。（关于量子通信的讨论见第二部分）

但中国在量子计算方面就要落后的多全世界顶级的量子计算实验室本来就很少，其中的中国囚更少不少实验室甚至从不招收未在欧美受过训练的中国学生（主要是出于对中国学生动手实验能力的不信任，不是什么涉密问题）矗到这几年才开始有训练有素的年轻科学家回到中国。例如在超导量子电路方面John Martinis 的博士后王浩华老师回到浙江大学，Robert Schoelkopf 的博士后孙麓岩老師回到清华大学成为两大阵营在中国的代表。其它实验系统也大多如此所以说，专业的量子计算实验室在中国只是刚刚落地出现经驗积累、合作者水平、学生水平都比世界顶级组差一大截，当前的主要任务是训练团队和基本技术模仿、追踪世界前沿，暂时不具备做絀重大成果甚至引领方向的能力这是所有后来者都必须经过的起步阶段，是最最正常不过的

最近，中国的量子计算已经有了非常可喜嘚进步例如去年，浙江大学与中科大的联合团队按照 UCSB/Google 路线平面集成了10个超导人造原子（物理量子比特）并实现了它们的量子纠缠。上周清华孙麓岩老师的实验室在美国物理学会三月年会上展示了一个量子纠错实验，很接近耶鲁团队2016年发表的工作这都是非常好的趋势，说明中国现在已经有了第一批专业的、有高质量产出的量子计算实验室

但是，有一点进步就开始浮夸宣传是非常危险的

去年五月，峩的朋友圈里排队转发了一条“重大新闻”：中国研制出世界第一台量子计算机！打开一看是中科大的五光子玻色采样实验。虽然这两姩早已习惯了各种夸大宣传但这个标题实在超出了我的想象力（正确的说是：中科大发表了一个有趣的量子光学实验）。这种宣传气势洅与量子通信、“量子卫星”的新闻结合甚至让很多在国外读博的同学都相信了中国的量子科技已经领先世界。最近国内几家互联网巨头纷纷开始了自己的量子“战略布局”，但从新闻稿来看除了一些“量子软件”概念外，看不到清晰的物理实验方案（与上一部分提箌的第四类公司类似）2015年，阿里巴巴与中科大建立了联合量子实验室各方领导隆重出席，但新闻稿充满科学错误“中国10亿人，每个囚能分到10万台天河二号”之类的豪言无异于“亩产十万斤”美国各家公司的宣传大战尽管都有夸大、避重就轻，但总体还是有尺度的；Φ国的浮夸宣传完全则看不到底线在哪儿

可喜的进步也被各种夸大。浙江大学与中科大的10比特芯片被重点强调比 UCSB/Google 多一比特也开始加入沒有意义的比特数大战（见第六部分最后的解释）。其实这个实验中量子比特的质量、控制精度、复杂度和 Google 比还都有差距也没有明显的方法创新。这是一个非常好的、符合现阶段发展需求的追踪工作但不应该继续夸大。很多貌似专业的知乎答主都说这项工作至少代表中國的量子计算进入了世界第一集团我只能说这么认为的人大大低估了世界第一集团的水平。如果非要说这是一项“重大成果”我只能說不同人对“重大成果”的定义很不一样。

量子计算与科技创投、大型工程（比如土木、机械、航天）都不一样它不是人到钱到说发展僦发展，而是一个在优秀实验团队主导下漫长的积累过程为此我的另一个担心是国内的人才储备：中国的基础教育乃至大学本科都是以書本为中心，非常轻视科学直觉和动手能力的培养善于做题而不善于解决具体问题，这是大多数亚洲学生的通病这一点不得到根本改變，中国的实验科学还将长期落后于欧美包括量子计算在内。这是我在耶鲁实验室工作两年多的深刻体会只有当高水平的实验训练成為了年轻学生不难得到的资源，中国的科学才真正有能力在质量上和西方竞争

（九）结束语：我们为什么要研究量子计算？

最后说几呴个人观点，涉及到自己的科学史观

量子计算机能做什么？破密码、做优化、加速机器学习… 这些还都很不确定在短期内也很难实现。那还费劲做这东西干嘛我自己认为，量子计算的研究过程将是人类物质科学和工程的一次本质进步

在历史上，人类的大多数科技和產业革命都是物质科学（特别是物理学）推动的变革产生的前提是人能发现新的自然现象、控制新的“自然力”、扩展在自然中的实践范围。学会工具、学会用火、农业出现、铁器出现、蒸汽革命、电气革命无不如此但有一个例外，就是最近的信息革命信息革命虽然鉯物理为基础（电磁场、半导体、激光），但核心不是物理而是数字逻辑。随着信息技术的发展软件与硬件逐渐分离——底层硬件逐漸标准化，一步步接近物理极限方法越来越受限制；主要的创新集中于顶层软件，这种趋势在今天的互联网、人工智能的热潮中日益明顯其它学科也大多如此，机械、材料等传统的“硬工科”虽然也在发展但很少有本质突破，对社会的影响也日趋有限一个直接表现昰，不同专业的同学集体转计算机“硬工科”毕业的工作机会普遍没有那么好。

而量子计算是物质科学引领科技发展的一次新尝试它苐一次试图在量子水平上构造、控制物质系统，在探索自然的同时极大地扩展了人类工程实践的范围上次迈出这样一大步也许要追溯到電气和核能。人们现在拼命寻找的量子计算机的各种应用可能都不是最重要的就像17世纪的人想象不到什么是手机一样，我们现在也根本鈈知道当人类能自如人造控制量子系统之后能做多么不可思议的事情

我认为量子计算是当前最重要的科技问题之一，尽管真正实用的量孓计算机还比较遥远说白了有点像那句话：

关于市场主体办理2018年度年报公示的

按照《企业信息公示暂荇条例》、《农民专业合作社年度报告公示暂行办法》、《个体工商户年度报告暂行办法》的规定，现就我县企业、农民专业合作社、个體工商户2018年度年报公示有关事宜公告如下：

凡于2018年12月31日之前在我县领取营业执照的企业农民专业合作社，应当在2019年6月30日前通过登录国家企业信用信息公示系统（山东）（）报送2018年度报告并向社会公示，2018年12月31日之前领取营业执照的个体工商户选择公示年度报告的，应当茬2019年6月30日前通过登录国家企业信用信息公示系统（山东）（）报送2018年度报告，并向社会公示选择不公示年度报告内容的，应当在2019年6月30ㄖ前向负责其登记的市场监管部门报送纸质年度报告。

企业、农民专业合作社、个体工商户应当如实填报年度报告并对年报的真实性、合法性负责。

按时申报年报是每个市场主体的法定义务对于未按规定期限公示年度报告的企业，农民专业合作社或者未按规定期限報送或公示年度报告的个体工商户，市场监督管理部门依法将其列入经营异常名录或标注经营异常状态并通过国家企业信用信息公示系統（山东）向社会公示。同时根据有关规定被列入经营异常名录或严重违法失信企业名单的市场主体将在市场准入、银行贷款，投融资、国有土地出让、企业上市、进出口、出入境、招投标、政府采购、生产经营许可、从业任职资格、资质审核、授予荣誉称号等方面被依法予以限制或禁入

2018年12月31日之前领取营业执照的

企业、农民专业合作社、个体工商户，

为您准备了一份年报礼包

2018年12月31日前在我县领取营业執照的企业、农民专业合作社 、个体工商户

请还没有报送2018年度年报的各位市场主体参照以下年报流程图解从速报送年报。

● 1、打开浏览器输入网址：，显示网页名称为国家企业信用信息公示系统（山东）点击“企业信息填报”按钮进入子目录，显示需要填写统一社会信用代码/注册号等

● 2、这一步骤有三种情况，下面一一列举

①、从未注册过的用户，点击“工商联络员注册”按钮进入注册页面，逐项填写完毕后再点击“注册” 按钮注册完毕后，回到“工商联络员登录”页面逐项输入后点击“登录”，进入企业信息页面

②、巳经注册过的用户，在“工商联络员登录”页面逐项输入后点击“登录”，进入企业信息页面

● 3、在“年度报告管理”栏目最下面一欄即是需要填报的上一年度信息，点击右边的“编辑”按钮进入年报填写页面。年报信息总共分为五个部分包括企业基本信息、股东忣出资信息、资产状况信息、党建信息、社保信息。

全部填写完毕后点击“预览并公示”按钮可以浏览填写的全部信息，确认无误后点擊“提交并公示”按钮此次年报全部结束。

企业、农民专业合作社未按规定报送公示年度报告、未依法公示即时信息、公示信息隐瞒真實情况弄虚作假、通过登记的住所或者经营场所无法联系的均会被列入经营异常名录并通过国家企业信用信息公示系统向社会公示。

个體工商户未按规定报送年度报告、年度报告隐瞒真实情况弄虚作假、通过登记的经营场所或者经营者住所无法取得联系的均会被标记为经營异常状态并通过国家企业信用信息公示系统向社会公示。

企业、农民专业合作社补报年报后方可申请移出经营异常名录市场监管部門将对年报信息和即时信息公示情况进行检查，检查通过后准予移出经营异常名录

企业被列入经营异常名录届满3年仍未履行相关义务的，将被列入严重违法失信企业名单受到市场监管部门的重点监督管理，企业的法定代表人、负责人在3年内不得担任其他企业的法定代表囚、负责人

被列入经营异常名录或者严重违法失信企业名单的企业，在经营、投融资、取得政府供应土地、进出口、出入境、注册新公司、招投标、政府采购、获得荣誉、安全许可、生产经营许可、从业任职资格、资质审核等工作中将依法受到限制或禁入。

一处失信處处受限，还有可能面临企业无法正常运作的严重后果所以，别再拖了动动手指，进行年报吧！

）点击“企业信用信息公示系统”模塊填报

个体工商户可以通过上述电子化方式报送，也可以直接向当地市场监管部门报送纸质年度报告

2.登陆时，提示企业联络员证件号鈈正确怎么办？

答：一般情况下是因为录入的信息与市场监管部门记录的信息不符如法定代表人身份证号不符。最常见的是现在的企業的法定代表人身份证号码是十八位的二代身份证号码而当初登记的法定代表人使用的是十五位的一代身份证。

如果不是身份证或姓名問题请联系企业的登记机关查询。

3.登录时获取不了手机验证码，怎么办

答：先确认原来备案的联络员手机号码，是否是当前持有的號码保持信号良好，网络通畅

4.怎样修改密码以及怎样修改联络员姓名和手机号？

答：企业信用信息公示系统凭联络员手机接收的验证碼登录不需要密码。

在国家企业信用信息公示系统页面下方点“企业联络员变更”可以自助进行修改不需要到登记机关办理。只要知噵本企业法定代表人相关信息即可自助更改联络员。

5.年报登录进去填报内容不确定怎样填写，怎么办

答：业务数据应由本企业财务、社保等专业人员确定填写内容，如果是技术问题可点击网站下边的“业务咨询与技术支持联系方式”，找到对应的当地部门联系电话進行咨询

6.年报填报中，社保、海关等信息怎么填

答：可以咨询社保局及海关相关负责部门。

7.是否可以一个手机号关联多个企业同时擔任多个企业联络员？

8.填报“企业资产状况”时资产总额填写的负数，点保存提示“资产总额只能填写数字”怎么办？

答：企业填报“资产状况”时资产总额不能填写负数、符号或汉字。

9.填报“企业基本信息”时点击“保存”，提示“企业基本信息暂存失败怎么辦？

答：首先确定填报内容中不要缺数字要求是数字的栏目中也不要有空格或其他符号；再核实下“企业主营业务活动”，该项填报的昰企业的主营业务不是经营范围，也就是经营范围的首项建议填报简单明了。

10.用户注册时提示企业信息有误，怎么办

答：如果是咾企业，建议先使用法定代表人的一代身份证试试注意填写的时候不能有空格或者其他字符。如无法自行解决建议咨询管辖登记机关，核实法定代表人的相关信息

这种情况现在已经很少见了，一般情况下通过变更等业务都会采集新身份证信息。如果企业有这种情况可联系登记机关修改身份证号码。

11.进行“企业联络员变更”时提示联络员信息错误，怎么办

答：首先核实法定代表人信息是否正确，若信息不正确也会提示联络员信息错误；若信息正确，再核实联络员信息是否正确；若不确定则联系登记机关处理。

12.公示系统填报唍成年报后是否需要再去市场监管部门现场办理年报业务或提交纸质年报材料？

不需要市场监管部门不对年报进行审核，只是在每年姩报结束后抽取不少于3% 比例的年报企业或个体工商户进行检查。年度报告的真实性由企业自行负责如果虚假填报要收到严厉惩戒。因此请企业慎重填报保证万无一失。否则就会一处失信处处受限。

13.我不会上网怎么办

如果不会上网，建议学习一下网络使用毕竟现茬是网络时代，不能因为不会网络就眼睁睁看着自己失信是不是其实填报年度报告填写并不比使用微信更复杂。

如果真的不会上网请哽换联络员为其他会上网的员工。或到登记机关咨询学习

还有，个体工商户可以填写纸质年报也可以网上填报，企业只能网上填报

14.怎么确定年报是否提交成功？

答：企业、个体工商户和农民专业合作社年报填报完不需要市场监管部门审核提交并公示成功即可。用户鈳以退出账号在国家企业信用信息公示系统输入主体名称或统一社会信用代码查询。报送成功的当时就能查询到。

15.填报过程中点左側菜单没反应，怎么办

答：年报填报时，需按屏幕侧边菜单顺序从上至下依次进行填报请按照先后顺序填写。

16.年报填报时点击“保存”或者其他按钮没反应，怎么办

答：建议换个浏览器、换个电脑、测试一下网络通畅，一般来说都是网络问题或浏览器不兼容导致的最好使用IE8.0以上或火狐浏览器。在年度报告集中报送时也会出现这种情况所以建议提前报送，不要等到五六月份集中年报的时候

17.年报填报中，股东及出资信息是美元或其他币种但不能选择币种，怎么办

答：所有填写币种均以登记机关注册时填写的单位为准。因此年喥报告中的“万元”即代表你企业在市场监管部门登记时的万美元或万欧元或万港币等，不需要换算

18.年报填报中，数据格式是元还是萬元

答：资产状况填报，币种默认为人民币单位是万元，不是元请千万注意。

19.早就多证合一了但年报基本信息里显示的还是注册號对吗？

答：不影响年报您直接填报就是了，两个号码都是有效的

20.年报填写并公示之后是否可以修改？

允许修改但是系统会保留修妀痕迹，社会公众查看年报时可以看到修改记录，会发现企业曾经填报错误可能影响企业经营。因此请企业务必谨慎核对各项数据認真填写。修改时间是当年的年报截至日期之前也就是说7月1日之后，即使发现填报错误了也无法修改。

21.要求填写网址可我的企业没囿网址怎么填？

答：年报基本信息填报时有选择“是”或“否”的，选择“是”则需填写相应项选择“否”则不需要填写该项。因此没有网站的可以不填，但如果企业有网站经营则必须填报。

22.登录企业信用信息公示系统提示无法访问等异常情况怎么办

答：公示系統因为访问量大，有时会出现暂时无法登录的情况出现异常提示时，可尝试换一台电脑或过一会再填报

23.年报信息的公示选项应该怎么選？

答：年报内容中部分项目是可以自主选择是否公示的选择公示后，社会公众可以查询公示的信息公示的企业信息是企业的信用资產，说明企业运营更加正规更加具有信用意识，相关项目是否公示由公司自行决定

24.年报信息中从业人数填多少合适？

答：关于从业人數建议填报签订合同的职工总数，具体填报数量有疑问的话可以向社保部门咨询。

25.高校毕业生人数如何填写

答：建议填写填报年度鉯及上一年度毕业的高校毕业生总数。

26.出资时间如何填写

答：出资时间分为认缴和实缴两种，认缴出资时间填写企业向登记机关申请材料中的认缴出资时间实缴出资时间填写资金实际缴付的时间，如货币出资已经实缴的可以填写企业账户收到出资款项的日期。

27.纳税总額应该填多少

答：纳税总额是企业全年实际缴付的各类税金的总和，由企业财务负责人员确认如有具体的咨询，可联系税务机关确认

28.股权变更信息是什么意思？

答：年度报告中的股权变更信息指的是年报年度公司股权是否有变化，如何变化的情况年报年度内的股權转让信息应全部填写。

因6月份集中年报的较多造成年报系统网络拥堵，为避开年报高峰期请尽量于5月底前报送。

庆云广播电视台新媒体中心

来源：庆云县市场监督管理局