从算盘到“量子计算机”：请站稳扶好，中国的科研生产力要开挂了。
2020年对美国来说，是一个非常不妙的年份。
这一年，山姆大叔被新冠肺炎折腾得死去活来。上千万人确诊，二十万人死亡，美股连续四次熔断，破了近百年来的记录。游行示威不断、枪击和暴乱层出不穷，年底的总统大选更是让整个社会彻底撕裂。
强悍的美军也没好到哪里去，上半年航母舰队集体感染的事情还没结束。“好人理查德”号战舰又着了火，一度变成了“熟人理查德”号，好么，现在又成了“废人理查德”了。
▲ 好人理查德 变成 熟人理查德
今天，科技界也出事儿了。
由美国谷歌公司一手缔造的“量子霸权”被颠覆了，而美国人掌握这项“霸权”的时间，满打满算，只有一年又两个月，堪称是“最短命的霸权”。
颠覆这项霸权的人，是来自中科院的潘建伟院士科研团队。
2020年12月4日星期五，中科院潘建伟院士团队宣布：“九章”号，一个由76颗光子构建的中国量子计算机原型机，在今天正式诞生。
为什么今天我们都被它刷屏？因为“九章”实在是太太太太太NB了。
“九章”的运算速度，达到了让现在世界上所有，注意，是所有超级计算机永远难以企及的高度：在处理特定问题的时候，九章的速度是目前世界排名第一的日本“富岳”超级计算机的100万亿倍，是世界第一台量子计算机谷歌“悬铃木”的100亿倍。
▲ 量子计算机吊打小朋友
在求解数学算法高斯玻色取样问题的时候，“九章”只需要200秒，几乎不到一根烟的时间。而最先进的“富岳”超算则需要6亿年。
这件事，值得局长暂时搁置一下手边所有的事情，专门抽时间写一篇文章来聊聊。
先说结论，
我个人认为，量子计算机技术的意义有两点：
量子计算机技术 = 全球科技竞赛中的 “合法外挂”
量子计算机技术 = 玄幻小说里预知一切的超能力
▲ 比诸葛孔明还可怕的算力
也许，我们终其一生可能都不太会摸到真正的“量子计算机”，但“量子计算机”必将让中国在未来的科技竞赛中获得极其巨大的优势。
而这些科研中的优势，最终会转化成现实中的各种应用，然后走入千家万户。
我们造“量子计算机”
要干什么
我们造“量子计算机”要干什么？
我们造“量子计算机”，就是要干“革命”！
就是要干一场计算力的“工业革命”。
今天我们所见到的一切经典计算机，你手边的电脑也好，国家实验室里的超级计算机也好，在完全发育起来的量子计算机面前都将成为被一击秒杀的手下败将。
可以说：在破解现实问题的科研攻关道路上，经典模式的超级计算机的速度只不过是一辆竞赛自行车，而量子计算机，即便最保守来看，也是一架超音速战斗机。
量子计算机的非凡能力来自于它的底层原理。
经典计算机的逻辑是二进制的0和1，为了方便理解，我们就简单粗暴不严谨地用“只有√和×两种答案”的判断题来举例说明。
对经典计算机来说，一个复杂的问题可以转化成为几十、几百、几千、无数个判断题。只要它把这些判断题都做出来，就能得到问题的最终答案。
在经典计算机里，负责执行运算任务的“基层工作者”是一个个晶体管，在以前那个电子工程还不发达的年代，用的还是电子管。
但不论什么管子，一个管子同一时间内只能做一道题。如果你想加快做题速度，就需要更多的管子。
于是，就有了著名的“摩尔定律”——集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年翻一倍。
毕竟，“晶体管”做题就是这样的：一次只能做一道题。有多少晶体管，就能同时做多少题。
但随着技术发展，我们发现这条路似乎走不下去了：人类已经做到了能够同时部署数十亿个晶体管，每个晶体管的大小已经被降到了仅有5-7nm的大小，再往下就是完全不可控制的极微观尺度了。
经典计算机，好像已经走到底了。
说时迟，那时快，量子计算机出现了。
量子计算机里执行运算的“基层工作者”不是各种“管子”而是“量子”。比起一次只做一道题的“管子们”，“量子们”的性质有点特殊。
量子有一种特殊的体质——“叠加态”——在量子的眼里，一道判断题的答案既可以是√的，也可以是×的。
所以，晶体管的做题模式是“一次只做一道题”，量子的做题模式是“有几个量子，就同时做2的N次方道题”。
1个量子，2道题；
2个量子，4道题；
3个量子，8道题；
4个量子，16道题；
5个量子，32道题；
......
10个量子，1,024道题；
20个量子，1,048,576道题。
量子做题的能力，是指数级递增的。
这次，潘建伟教授团队在“九章”号上部署了76颗“光量子”。所以，“九章”号一次性可以做出 2^76 = 756垓 道判断题。
1 垓 = 一 万 亿 个 一 亿
这就是我们造"量子计算机"之目的：为了获得举世无双、史无前例的超级计算能力。
因为有了这个能力，所以2019年的谷歌才敢嚣张地说自己掌握了“量子霸权”。也只有获得了这样的计算能力，中国人才能在科研的道路上走的更快，走的更远。
（以上解释只为简单说明两者之间的差别，并不严谨）
未来量子计算机
能干什么？
现在的量子计算机只能解决“特定问题”。如果翻译成普通话，意思就是：很多题都不会做。
这里说的特定的问题，学术上叫作“玻色取样”。
网上关于这个问题的定义是这样的：
用以展示量子计算优越性 (quantum conputational supremacy) [6] 的候选问题有很多, 不过玻色采样 (Boson sampling) 很可能是知名度最高的问题之一. 这一问题的美妙之处在于, 它联系了线性光学和积和式 (permanent), 因为光子 (photon) 在不同的模数 (mode) 上的概率分布, 可以对应到某个积和式上; 而积和式在计算复杂性理论中具有独特的地位, 原因之一是它提供了第一个非平凡的
不知道你们能不能看懂，反正我是看不懂。虽然每个字我都认识，但连起来我就不认识了。
简单来说，“玻色取样”要做的事情就是“模拟现实”——能解决“玻色取样”问题，就有希望解决更多的现实问题：
病人吃药之后身体上会有什么反应？
明天北京几点几分刮什么风、下多大的雨？
新型飞机遇到气流的时候会不会颠簸、颠簸有多厉害？
新型原子弹爆炸之后能有多大的冲击波、能造成多少辐射？
......
显然，这些问题，在科研之中具有极其重要的意义。
▲ 以前，是真的需要引爆原子弹
来做核试验的
但就算是如今最强的超级计算机，在面对这些问题的时候也显得有些“力不从心”。因为，经典超级计算机的运算能力还是“太弱了”，以至于很多问题的计算都需要几十年上百年的时间。
如果要短时间内得出模拟结果，就要牺牲一些精确度，这可能是科学家们最痛苦的取舍。
但在未来，科学家们只需要花几分钟，甚至几秒钟的时间就能够用量子计算机完成极度仿真的模拟。
所以，我们在新闻看到：
潘建伟院士团队打造的“九章”量子计算机，验证了量子计算机的“优越性”。
毕竟，学术界认为：50个量子比特的量子计算机就能说自己比经典超级计算机优越了，而我们的“九章”有76个量子比特。
不过，现在的这台“九章”还没办法解决上面说的各种现实问题，能够广泛应用在现实中的东西，叫作“通用量子计算机”。
在新闻采访中，潘院士的团队是这样介绍未来“通用量子计算机”的能力的：
来点轻松的：
“九章”成功后的一些趣事
“九章”成功之后，潘院士团队在Science杂志上发表了相关的论文。作为这篇论文审稿人之一的Scott Aaronson，也是这个领域最重要的专家之一，在自己的博客上面写了研究过程中一些很搞笑的内容：
Scott问潘院士团队：你们这个方法这么好，为啥不多做几个光子的？只做30个光量子实在是太少了，要不试试40个以上的？
几星期后，潘院士团队回复：我们听你的话，后来又做了40个光量子的测试，结果花了40万美元......这是我这辈子写过最花钱的论文了。
最后，这位审稿人表示：潘院士的团队非常讲义气，听说美国口罩不够，还专门给我寄了200个口罩，我真的超级感谢。但是我Scott毕竟是个体面人，肯定还是会坚持专业精神的，绝不会被200个口罩收买！
尾声
目前，学术界对于量子计算机的未来发展划分了三个阶段：
第一阶段：开发具有50-100量子比特的高精度专用量子计算机，专门来解决那些经典超级计算机没能力解决的特定问题。“九章”的成功就是这个阶段的里程碑。
第二阶段：科学家将会去研究数百个量子比特的“量子模拟机”，用来解决超级计算机没有办法解决的实际问题（物理、化学、材料学、人工智能领域的问题）。
第三阶段：在技术成熟的情况下，研制百万个量子比特和高精度的“通用量子计算机”。而通用的量子计算机就可以用来编程，从而实现更多应用了。
原型机——模拟机——通用机
根据潘院士的估计，这个跨越可能需要15-20年，看样子似乎漫漫无期，但其实就是2000年到今天的距离。
写到这里，我忽然想起了六十年前那些研究原子弹的前辈们。
▲ 向我们的前辈，致敬！