劉興亮 | 極簡量子計算發展史

量子計算作為下一代信息技術的關鍵領域，其發展歷程充滿了科學家的智慧結晶與技術突破。本文將帶您回顧量子計算從理論構想走向現實應用的精彩歷程。

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量子計算的基本原理

量子是物理學家普朗克提出的物質概念，假設一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。由此可以設想，世界的微觀體系就是由量子構成。

普朗克的理論讓物理學進入了浩瀚宇宙的微觀領域，發展出量子力學、量子光學等分支，引爆了現代工業文明的進一步發展，量子計算也算其中之一。

要弄清，量子計算不是簡單做算術題，它是人為構造并操縱一個可編程的量子系統，其目的是構造一種演化路徑，使「正確答案的概率結構」顯現出來。這種計算方式與人工智能中的「梯度下降」（降低誤差函數）有相似之處，都是在復雜系統中尋找最優解。

量子計算的核心優勢源于量子比特的獨特性質。與傳統計算機使用0或1的比特來存儲信息不同，一個量子比特可以同時處于01兩種狀態的相干疊加。推而廣之，n個量子比特便可表示2^n個數的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時實現對2^n個疊加的數進行并行運算。

由此也容易理解，量子計算與經典計算的區別不僅是算力上的巨大差異，更是結構性差異：經典計算的狀態空間是線性增長，量子系統的狀態空間是指數增長。當量子比特數足夠大（例如達到250個）時，量子計算機能夠存儲的數據量比宇宙中所有原子的數目還要多。

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量子計算的直觀理解

上述說法都很科學，但是不太好理解。那么如何更直白地理解量子計算呢？

中國科學技術大學教授陸朝陽用一個生動的「走迷宮」比喻來解釋：傳統計算機走迷宮，每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來。但是量子計算機走迷宮，就好比同時有10個人一起嘗試不同的路，瞬間就把所有可能都嘗試一遍，很快就能找到那條正確的路。

另一個淺顯易懂的例子是山體水流模型：如果山體只有一條溝渠（傳統計算），水流路徑是確定的；而實際山體有眾多溪流河道（量子疊加態），需要同時計算所有水流的復雜交互。量子計算就是要優化這些「溪流河道」的配置，找到最佳解決方案，這種計算是指數級的。

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量子計算的發展里程碑

量子計算對算力的要求巨大，其作用也極其復，尤其是在人工智能時代，作為工具前景廣闊。現在我們就來簡單回顧一下量子計算的發展歷程。量子計算的發展經歷了從理論奠基到技術突破的多個關鍵階段：

1980-1981年：理論奠基

美國物理學家保羅·貝尼奧夫首次提出了量子版的圖靈機概念。隨后，物理學家理查德·費曼在1981年提出利用量子計算機模擬量子現象的想法，開啟了人們對量子計算的正式興趣。

1985-1994年：理論突破

戴維·德意志提出了「通用量子計算機」概念。1994年，彼得·肖爾提出了著名的Shor算法，能有效分解大數，對現有加密技術構成了威脅，促使各國政府和軍方開始高度重視量子計算。

1995-1997年：糾錯突破

彼得·肖爾和安德魯·斯蒂恩等人發現了量子糾錯，為容錯量子計算奠定了理論基礎。沒有量子糾錯，量子計算將因噪聲干擾而無法實際應用。

1998-2018年：實驗進展

1998年，研究人員首次在兩量子比特系統上實現了Grover算法。2011年，加拿大公司D-Wave發布了首款商用量子計算機。2016年，IBM向公眾開放云端量子計算服務。

2019年：量子優越性的里程碑

谷歌宣布實現「量子霸權」，其53量子比特處理器「懸鈴木」在200秒內完成了傳統超級計算機需一萬年才能完成的計算。這標志著量子計算首次在特定任務上超越經典計算機。

2020年至今：中國崛起與應用探索

中國科學技術大學團隊先后推出了「九章」光量子計算機和「祖沖之號」超導量子計算機。2025年3月，中國成功構建105比特超導量子計算原型機「祖沖之三號」，處理問題的速度比當前最快的超級計算機快千萬億倍。中國成為目前世界上唯一在超導量子和光量子兩種物理體系都達到「量子計算優越性」里程碑的國家。

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未來展望

量子計算的發展通常被分為三個階段：第一階段是實現「量子計算優越性」；第二階段是研制可操縱數百個量子比特的專用量子模擬機，解決超級計算機無法勝任的重大實用問題；第三階段是研制可編程的通用量子計算機。

目前，我們正處在第二階段，即「含噪聲的中等規模量子」（NISQ）時代。量子計算已經在金融、材料科學、藥物設計等領域展現出應用前景。未來5年，全球將進入「量—超—智」三算融合時代，即量子計算、超級計算和智能計算協同完成運算任務。

盡管量子計算前景廣闊，但它并不會完全取代經典計算機，兩者將各自適合不同的應用場景。量子計算更可能作為一種強大的工具，在需要處理海量可能性的特定問題上發揮其獨特優勢。

量子計算的發展歷程充滿了挑戰與突破，從理論構想逐步走向現實應用，這一歷程見證了人類對計算本質的不斷探索和對技術極限的持續突破。