人类将逐渐进入量子时代，量子计算正在悄然而至，作为程序员，你是否想过，如何在量子计算机中进行编程？你是否想过，我们现在的编程思维是否在量子计算编程中也同样可行？本期，我们就聊一聊有关量子计算的事情。本期节目极其简单，不需要任何量子物理学专业知识，因此，不要有任何负担。

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以下是我的手稿原文：

什么是量子？

我们在讨论量子的时候，经常会涉及光子、质子，甚至夸克，这些人类已知甚至未知的最小物质微粒。但是，量子不是直接指微观世界的物质总和。

量子不是物质，也不是在描述物质的特征。

量子是对微观世界运动状态的概括，或者说，量子是对人类可观测的能量的存在形式的概括。

为什么需要量子理论？

人类需要量子理论，从初衷出发，是为了解决人们对能量这种东西的本质进行研究的需要。

和量子理论相对的，是经典物理学理论，包括经典的牛顿力学、热力学、电力学等物理理论。经典物理理论从宏观的角度去研究物质的性质和运动状态。

量子理论和经典物理理论是两种不同的物理学范式，没有谁对谁错，都是经过证明的科学。极端的例子是，对于同一个现象，我们用经典物理学和量子理论去解释都可以解释通，但它们的结论可以正好相反。这种情况下，没有谁对谁错，都是对的。这听上去不可思议。但这就是科学，而量子理论中经典的物理实验，光究竟是波还是粒子的"双缝实验"，就是在这样的科学趣味性中完成的。

波粒二象性，叠加态

我们虽然说这很有意思，有趣味，但对科学家来说，这简直就是毁灭它们三观的灵异事件。

20 世纪初，物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题：光，到底是波还是粒子？

很多著名科学家（牛顿、爱因斯坦、普朗克）做了很多权威的实验，确凿无疑地证明了光是一种粒子。

很多著名科学家（惠更斯、麦克斯韦、赫兹）做了很多权威的实验，确凿无疑地证明了光是一种波（具有干涉衍射现象），电磁波。

• 粒子可分成一个一个的最小单位，单个粒子不可再分；波是连续的能量分布，无所谓「一个波」或者「两个波」；
• 粒子是直线前进的，波却能同时向四面八方发射；
• 粒子可以静止在一个固定的位置上，波必须动态地在整个空间传播。

托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829）于1801年进行了一次光的干涉实验，即著名的杨氏双孔干涉实验，并首次肯定了光的波动性。于这个实验，科学界进行了一场更深入的对抗实验，及波派和粒派的对抗实验。这场实验虽然一开始是一场思想实验，但是在长达100年的时间中，逐渐成为现实实验。实验是这样的：

实验准备：双缝实验相关设备，光电设备，思想假设：如果光是波，那么会由于干涉产生斑马状条纹，如果是粒子，那么由于粒子的直线运动，只会产生两条主要纹路。

1. 第一阶段：杨氏双缝实验。证明光是波。粒派不服，认为应该将光子一个一个发射。
2. 第二阶段：一个一个发射光子穿过实验，仍然产生了斑马条纹。这个实验虽然证明了光是波，但是问题在于，一个一个光子穿过a、b两个缝之后，只有自己，怎么产生了衍射干涉呢？一个光子不可能自己和自己干涉呀。
3. 第三阶段：在a、b两个缝上各自装上摄像头，观察光子是否在穿过缝之前发生了分裂，导致穿过缝之后才产生了干涉。实验结果是，光子只从一个缝穿过，没有发生分裂。但是，此时实验结果发生了变化，在背景幕布上，原本应该是斑马条纹的，结果现在变成了两条光斑。这说明光是粒子。但是和第二阶段相比，仅仅是安装了摄像机，而摄像机本身不会对光子产生影响，不会由于摄像机使原本为波的光变成粒子的光。这是怎么回事？
4. 第四阶段：在光子穿过缝之后再将摄像机安装上去进行观测，从常识来讲，此时摄像机的观测毫无意义，因为光子已经穿过缝了，摄像机按道理既观察不到任何东西，也不会影响光子的运动轨迹。然而，事实是，幕布上仍然只有两条杠，证明光是粒子。这就是是 1978 年 惠勒 延迟选择实验。

这个实验的核心问题在于，我们是否用摄像机对光子穿过缝口进行了观测（或叫“测量”），如果观测，那么光是粒子，如果不观测，那么光是波。这是非常诡异的，观测这个动作影响了实验结果。我们可以想象，除了观测光子穿过缝口，我们还可以在其他地方进行观测，是否还会带来更复杂的结果呢？

如果不是有实验做支撑，我们很难在物理世界想象，人的主观行为，可以改变客观事实。人是否选择观测，改变了光的本质。这和中国古语“我思故我在”几乎一模一样，难道我们的客观世界要从唯物变成唯心？

并非如此。

测量与叠加态坍缩

量子理论通过新的方式解释波粒二象性。其中包括如下几点：

• 在观测之前，光处于波粒叠加态中，即是波，也是粒子
• 在观测发生后，叠加态发生坍缩，光子只有一种状态表现自己
• 坍缩为什么状态，取决于我们观测的方式（用摄像机观测为粒子，不用摄像机观测为波）
• 在没有观测的情况下，单个光子发生干涉了吗？发生了，也没有发生。从经典电磁学角度，光子发生干涉是因为光子在未被观察时，处于叠加态，一个光子有多个状态，因此，在穿过缝口后，不同态之间发生了衍射，从而产生了干涉现象。从量子理论出发，叠加态的本质是概率，一个光子是波的可能性是n, 是粒子的可能性是m, n+m=1，运动中的光子产生了概率波，虽然一个光子在运动过程中没有受到外力影响，但在概率波性质影响下，最终落在幕布上的什么位置，由该次运动的概率决定。而正是由于概率波的存在，所以在穿过两个缝口后，概率波发生了衍射和干涉，导致最终光子落在屏幕上形成了斑马条纹的分布效果。当然，这些都是在未进行观测，光处于叠加态时产生。一旦进行观测，叠加态坍缩，概率波就消失了。

“薛定谔的猫”这个思想实验实际上是用来嘲笑爱因斯坦提出的叠加态的，但最终成为用来解释叠加态的最好比喻。一只猫在一个房子里，我们没有看它时，它是死还是活呢？只有我们观测它的时候，它的状态才坍缩为其中一种，在我们观测之前，它处于非死非活的叠加态。

自旋与量子纠缠

当我们理解了叠加态，我们就可以来讨论量子纠缠。

量子纠缠的一个前提是叠加态中，每种状态的概率之和为1.

另一个前提是微观粒子无时无刻不在发生自旋。所谓自旋，跟地球的自转差不多，当然，还要抽象很多。一个电子，在我们没有观察它之前，它的自旋叠加态为“上旋”和“下旋”，两种状态的概率和为1. 当我们观测它时，坍缩为其中一种。

当有另外一个电子和这个电子发生量子纠缠时，它们所处的自旋状态完全相反，且相反状态的自旋概率之和为1，一般认为各自1/2. 当我们观测它们时，一个电子“上旋”，另一个电子“下旋”，但是它们的自旋概率之和为1.

一旦两个电子发生量子纠缠，那么无论将它们的距离拉到多大的距离，它们的纠缠都不会消失。即使在宇宙的两端，当我们观测其中一个电子时，如果这个电子为“上旋”态，那么不用想，另外一个电子一定是“下旋”态。

这也是平行宇宙的前提。

自旋系统是普遍现象，也是量子纠缠的前提。光子等电磁波具有偏振状态，光子具有左旋偏正光，右旋偏正光。电磁会产生磁极（类似磁铁），也可能是由于自旋系统带来的。

量子纠缠已经被实验证明过了。而且在一次公开的演示中，物理学家将特定物质特定设备处于极低温状态下，可以让一个物体悬浮在空中，并且可以以任意姿态悬浮，例如悬浮在所持物体的下方。这种应该就是未来宇宙飞船悬浮的基础理论。

但是，理想是丰满的，现实是骨感的。想要得到两个电子的量子纠缠状态，需要的条件极其苛刻，几乎是不可能。但是就是实现了，它所持续的时间也极其的短暂。

另外就是，处于量子纠缠的两个电子，同步状态的速度也受到各种条件的影响。目前已知的是，该速度是光速的几个数量级。量子纠缠可用于远程无线传输，包括传送信息，传输能量（如电），所有两个电子之间的连接的集合被成为量子隧道，量子隧道的距离也具有持续性。

要得到或者改变量子纠缠，需要消化极大的能量。

量子计算机

冯诺伊曼体系仍然成立：计算单元和存储单元。

量子比特。一个量子比特在存储单元中处于叠加态，通过观测来实现坍缩，得到确切值。例如我们现在有3个比特，对于经典计算机而言，它只能存一个数据，每一个比特必须是0或1中的一个，一旦数据被存储，那么就不可修改，我们得到了一个客观数据。但是对于量子计算机而言，3个比特位上处于同时存在0和1的叠加态，3个比特可以表示十进制0-7中的任意一个值，具体是哪个值，取决于我们的测量姿势。由于叠加态的本质是概率叠加，所以，我们不同的测量姿势得到的结果是不一样的，也就是说，如果不进行限制，这3个比特位给出的结果每一次都不同，具体是什么值，全凭概率。为了得到确切值，我们需要通过训练来得到需要的测量姿势，以保证我们得到需要的结果。

接下来是量子计算。同样这3个比特，和另外3个比特进行计算，比如相加，最终会得到什么呢？这里面涉及到叫“量子逻辑门操作”的幺正变换，单量子比特门和任意量子门等等。得到的结果取决于你的算法。量子计算机里面，算法本身包含了量子测量。但和经典计算机不同，量子比特由于叠加态，可以做到并行计算，但实现难度较大。比如，我们现在只有1个比特和另外1个比特进行相加，那么可能是 0+1, 0+0, 1+0, 1+1 它们各自的概率是1/4. 但是我们可以在计算结束之后采用不同的测量姿势去坍缩其叠加态，从而只得到一个结果，如果我们用另外一种姿势去测量，那么得到的就是另外一个结果。这两个结果都是我们想要的，只是我们观测方式不同，就同时得到它们了。并行计算则是在每一步运算中都按照这样的逻辑进行测量。当然这里面计算没那么简单，不然量子计算各种算法大家就不用研究了。

量子计算的本质和人工智能有点像，即通过一种算法找到概率最大的解（最优解）。量子计算要经过多次计算，才能找到最优解。量子本身的概率波特性，会在运算过程中发生干涉，形成强能量场，从而影响下一次计算。所以，实际上，多次运算过程中，后一次获得正确结果的概率大于前一次，如果执行的次数足够多，获得正确结果的概率几乎为1.

二进制序列。要形成存储单元的数据，必须进行二进制序列化，否则量子计算机只能做比特计算，不能形成操作系统等更高级的应用。要序列化量子比特，就必须依赖量子纠缠。通过纠缠在一起的量子，形成二进制序列化。

在量子计算机的物理实现层面上，有基于光子的量子计算机，也有基于光学共振腔量子电动力学的，实现比较复杂，不是普通环境能得到的。

“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”，但是这台计算机只能做量子退火运算。也就是说，它不能执行其他的计算，因此算不算真正意义的量子计算机。目前来讲，谷歌和IBM的量子计算机应该走在最前面。

2019年10月24日，《自然》杂志刊发了谷歌公司的一篇论文。谷歌在该论文中表示，其开发出一款54量子比特数（其中53个量子比特可用）的超导量子芯片“Sycamore”。基于Sycamore，谷歌对一个53比特、20深度的电路采样一百万次只需200秒。而目前最强的经典超级计算机Summit要得到类似的结果，则需要一万年。基于这一突破，谷歌宣称其率先实现了“量子霸权”。

简单讲，量子霸权就是指在特定领域，量子计算机的计算能力超过现有最强经典计算机的能力。

量子计算下的编程

作为程序员，我们很想知道量子计算下的编程是怎样的。目前几乎所有的编程都是基于经典计算机的二进制进行编程的，所以，几乎所有编程语言都无法在量子计算机中运行。量子计算的编程基于叠加态的量子进行编程，比较知名的编程工具是 QPanda。

首先假设有一台量子计算机，它有 2 个量子比特：1、2，接着对其中一个量子比 特（1）进行 H 门操作，构造了一个量子叠加态；并对1和2做 门操作，1为 控制量子比特，2为目标量子比特，最后对所有的量子比特进行测量操作。此时，将有 50%的概率得到 00 或者 11 的测量结果。

直观上讲，量子编程完全是在操作量子比特，即用代码的方式去控制量子观测，有点像最原始的计算机编程，比汇编还要古老，而非真正意义上的编程。

编程环境上，我们进行量子编程，直接在自己的电脑上进行，QPanda 会创建一个完全符合量子计算的虚拟机，这样，就可以在普通电脑上得到量子运算的结果。但是，要发挥量子运算的真正能力，必须将代码放到可运行的量子环境中跑，因为在自己的电脑上跑一年的代码，可能在量子计算机中只需要1秒。

微软也开源了量子编程语言 Q#，有兴趣的同学可以去看下。

2019-12-15 3024 量子计算机