量子卫星：量子卫星已经上天了 量子计算机还有多远？
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中国科技大学的量子实验室成功研发出了半导体量子芯片和量子存储技术，至此中国对量子计算机的研究取得了突破性的进展。
　　中国取得又一突破　　不久前传来消息，中国科技大学的量子实验室成功研发出了半导体量子芯片和量子存储技术，至此中国对量子计算机的研究取得了突破性的进展。　　我们可以将量子芯片视为量子计算机的大脑，有了它计算机的逻辑运算和信息处理就成为了可能。量子存储这块，科学家通过它则能够实现超远距离的量子信息传输。这样看来，突破不可谓不大。　　8 月 16
日，中国发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。它的升空将实现量子密钥的分发，并对量子纠缠的现象进行实验。首先是量子通信，紧接着量子计算技术又有了突破，这些消息或许会掀起一阵量子热，人们真切地感受到那些仿佛只会在科幻作品里出现的名词，离自己已经不远了。　　不过再怎么说，量子理论都是无比复杂的，和它相关的那些技术也是如此。如果想要对量子计算机有一个概念，我们需要去了解些什么呢?它究竟距离我们还有多远?　　强大的量子计算机　　尽管在我们一般人看来，传统的计算机到了今天机能已经足够强大了，但实际上它的发展已经开始陷入困境。既然传统的技术已经走到了极限，那么寻求突破，基于新的理论来研发计算机也就成为了迫切的需求。　　事实上这个概念早在 1969 年就已经被提出，即史蒂芬·威斯纳的“基于量子力学的计算设备”。不过它真正得到关注还是 1981
年物理学家理查德·费曼的演讲之后。他说，如果要用传统的计算机来模拟量子力学，那么微观粒子数量越多，计算量也就越大，也就越不可能实现模拟。费曼认为，要模拟量子力学，就必须要采用和它原理相同的方式。从此开始，量子力学开始和计算机科学联系在了一起。　　量子计算机之所以强大，简单来说是因为它的一个量子位可以同时处于 0 和 1
这两个状态，这是量子的叠加特性决定的。与此相比，传统计算机中的晶体管一次只能够处于 0 或 1
的状态。如此一来，如果要进行海量的运算，量子计算机在时间复杂度(指执行算法所需要的计算工作量)上就有了非常显著的优势。　　还是觉得很迷茫?可以看看量子计算机公司 D-Wave 联合创始人埃里克·勒迪辛斯基在一次会议上给出的形象比喻：假如图书馆里有 5000
万册书，而你要在某一本里的某一页上寻找大写的 X。即使你发了疯似的拼命，也只能一次一本书这样查看，任务几乎不可能完成。可如果有 5000
万个你同时去翻找，每个人各自去查看一本书，那任务就有可能及时完成了。传统计算机就是那个发了疯的你，而量子计算机就是那 5000 万个你。　　换句话说，传统计算机只能够按照时间顺序来处理任务，而量子计算机却能够做到超并行计算。N 个量子位可以同时表示 2 的 N
次方个状态，数据量呈指数增长。现有的超级计算机需要上千年的运算，可能量子计算机在很短的时间内就可以搞定了。　　量子计算机能做什么？　　量子计算机一旦研发成功，这毫无疑问将是一场革命，因为我们终于突破了发展了那么多年的传统计算机，进入了一个全新的领域。随之而来的，自然也就是整个世界全方位的变化了。　　首先是科研方面。无论是太空探索还是药物研究，背后都牵涉到相当庞大的计算量，即使动用如今那些最优秀的计算机，都需要大量的时间和金钱的花费。如果有量子计算机存在，无论是无数种分子组合模式，还是大量星球的状况分析，它都能够比传统计算机更加轻松地去解决这些问题。　　或许“更加精确的天气预报”会离我们的生活更近?通过一次性分析所有的数据，我们将能够建立更好的气象模型，精确预测接下来的天气情况。到那个时候，人们就再也不会整天吐槽天气预报不准了。　　另外，量子计算机也有助于去解决交通拥堵的问题。现代的大城市中交通状况纷繁复杂，更强大的计算能力能够在短时间内规划好一切路线。无论是公路还是机场，这种超高效的调度能力将能够让人们避开许多麻烦。　　正如同传统计算机一直以来都在我们的生活中扮演着重要角色一样，量子计算机作为效率远超前者的存在，它在未来自然能够发挥更大的作用。量子计算机能够从方方面面改变我们的世界，这些是无论如何都列举不完的。　　量子计算机还有多远？　　我们需要认识到的一点是，即使科学家在量子计算方面已经有了技术突破，但我们距离真正可实用的量子计算机还有不短的距离。主导我国量子技术研究的潘建伟曾说，现在去谈通用量子计算还太早，只有能实现高精度量子操作和高容错的量子纠错的时候，才能够去想这些事。　　据了解，中国科技大学此次研发的量子芯片已经达到了满足容错计算的精度，但逻辑比特数量只有 3 个。只有在这个数目超过 30
个时，量子计算的性能才能够超越传统计算机。当然了，再往上难度也就越来越大了。　　那么一时间引起热议的谷歌 D-Wave
呢?潘建伟表示它以及现在人们常说的那些量子计算机，都还不是通用的量子计算机，不如说叫“量子模拟”更为恰当。现有的这些技术都“只能做某一件事，不能解决所有的问题”。不过，即使量子模拟只能对应某一种计算功能，它同样具备潜在的重大应用价值。潘建伟认为量子模拟机会比量子计算机更早出现。　　据了解，目前最有前途实现实用量子计算机的有三个方向，分别为光学量子计算、超冷原子量子计算，和超导量子计算，而我国的科研团队在这三个方向上都努力推进中。尽管我们并不能指望短期内看到真正的量子计算机，但假以时日它一定会到来。
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　　近日，我国科学家观察到证明马约拉纳费米子存在的直接证据——自旋极化电流的现象，这是自1937年关于马约拉纳费米子预言后80年后，科学家首次直接观察到该粒子存在的有力证据。相关成果6月22日在线发表于《物理评论快报》。
　　今年年初，上海交大贾金锋研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组，南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮等合作，率先观测到拓扑超导体涡旋中存在该粒子的重要证据。
贾金锋在实验室工作
　　马约拉纳费米子作为一种基本粒子，和其他基本粒子有很大不同。我们知道，物理学最小的基本粒子分为两大类：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子）。一般认为，每一种粒子都有其反粒子，如费米子与其反粒子就像一对长相一样但脾气相反的孪生子，一见面就“大打出手”，产生的能量会使其瞬间湮灭。
　　1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中或存在一类特殊费米子，该粒子与其反粒子长相、脾气完全相同，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。
　　据贾金锋介绍，他们发现的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子，而是一种准粒子，但其同样符合马约拉纳的预言。准粒子是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法，即把传统意义上某种粒子集体行为的某些表现，看作是一个粒子的行为。这样可以简化模型，便于正确表述某些具体物理现象背后的机理。
　　根据理论预言，在拓扑绝缘体上放置超导材料科研实现拓扑超导，但这一直事材料科学领域的难题。针对超导材料的覆盖使得马约拉纳费米子很难被探测到的问题，贾金锋团队另辟蹊径，把超导材料放在了拓扑绝缘体下面，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”摆到了“明面”上，这为寻找其踪迹奠定了重要的材料基础。
　　观测马约拉纳费米子自旋极化电流现象是提供了一种用相互作用调控马约拉纳费米子存在的有效方法，也为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接测量的办法。
　　对此，科学家纷纷表示，该成果打开了一扇新的窗户，将为材料科学带来革命性进步。美国科学院院士、麻省理工学院教授Patrick Lee认为，该实验把最高水平的样品生长和扫描隧道显微镜测量结合在一起，在一个真空室中完成，是一项“旷世科学杰作”。
　　清华大学副校长薛其坤院士认为，该团队在国际上首先制备出拓扑绝缘体/超导体异质结是材料科学的一个突破，也使其“在这场竞赛中占据了战略制高点”。此次研究不仅首次证明了马约拉纳粒子模的存在，也使利用其进行拓扑量子计算成为可能。
　　另外，科学家预期，马约拉纳费米子的研究成果将为量子计算机的制造提供更好选择。与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它对数据的处理速度惊人，如果把量子计算机比作飞机的话，那么普通计算机只能算是自行车。
　　马约拉纳费米子来了，我们距离量子计算机或许还有多远的路要走，但是，我们已经踏上了这条路。（赵清建 据新华社、中国科学报、央广网等）
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版权所有：中国数字科技馆&&&&未经书面许可任何人不得复制或镜像 &&&& &&&&京公网安备号如何看待我国量子计算机研究取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片？
【张鑫David的回答(373票)】:
针对评论区一些问题，我补充一些解释（简短）
首先，最终能干啥？
量子计算机还在研发阶段，其最终应用比较模糊，随着研究也许会有新的应用跳出来。暂时来看，在破解密码、科学计算、科学实验、大数据和机器学习等领域。
其次，现在的研究成果能干啥？
基本上啥也干不了。仔细读我的答案，大家会发现还是围绕做几个量子比特，完全不能用，但是能用和不能用就在咫尺之间，做出来就能用了，在做出来之前无论多接近都不能用。不过我文末也提到现在有人用九个量子比特做了分子能量的计算，前景广阔。有人提到跟计算器比较，这令我hin尴尬......我们在研究导弹，不要问我是不是现在只能切菜(?o?︿o??)
再次，为啥我还是不知道什么是量子计算机？
因为我根本就没讲，前面说了这非简单的几句话能讲清楚，要要讲清楚必须另开章节，不然在我这篇答案里会喧宾夺主（如果你觉得我应该一两句话讲清楚抱歉我水平有限做不到）。因此略过原理讲的主要是现在研究的水平（这是本答案的主旨( ? ??皿??)?????一个文章就一个中心点不然就是在写教科书了( ? ??皿??)?????），跟研究水平有关系的名词我答案里都有解释。如果你很想知道原理，知乎上也有很多前辈讲过量子计算机的原理，大家参看，搜索量子计算看高票答案即可，我以后有时间也会在答案或者文章中讲一下，答应我你不会因此而睡着( o ?ωo? )?
最后，这是不是骗经费的东西？
不是。这种话是诛心之论，毫无意义。前几天看陈宇翱教授关于量子通信的讲座，他大概说现在量子通信很火热，但实际上十几年前相关实验工作就开始了，希望大家不仅关注成果，更要关注科研时候的一步一步的进展。十年树木，百年树人，科研这东西更需要时间的积累，早在上世纪五十年代美国人就开始探测引力波，二十年过去啥都没测出来，但他们七十年代还是重金启动了LIGO工程，终于在四十多年之后探测到引力波，这前后将近60年；而量子点量子计算从1999年提出方案，到现在可以做出两量子逻辑门，实际进展是非常可观的，在量子计算机最终实现之前谁都不知道什么时候会研究出来，但一旦别人研究出来，而我们对这个项目一无所知，我们就必须承受现在这种很多仪器高价求购而不得的局面；而如果这东西我们碰巧先研究出来了，整个形势都会全然不同，而这种感觉，作为中国人我想基本上没怎么体会过。
最后的最后，很多人问我能不能打游戏？
嗯，它现在工作温度在5K以下，要打游戏你得先建个稀释制冷机。( o ?ωo? )?
不过这个答案确实有败笔，关于半导体量子芯片怎么工作的讲得少，写着写着发现写不下了，待我有时间好好梳理一下，就酱 (??????????????)
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谢邀，觉得这是个好机会为大家科普一下什么是半导体量子芯片，以及这一成果在当今科研中的的地位，最后描述一下在量子概念火遍大江南北的今天，量子计算机道理离我们有多远。
所以先占个坑，支持的可以先点下赞 (??????????????)
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首先，感谢去年获得国家自然科学一等奖、世界物理十大突破之首以及今年准备发量子通信卫星的潘院士，估计现在很多人对『量子』的概念如雷贯耳，不过也可能大多数人还是概念模糊。而到了『量子计算机』，估计又感觉神乎其神了，实际上，我们今天要做的第一件事就是将量子计算机拉下神坛，因为只有不吹嘘它才能正视它。
量子计算机是在科学计算等领域性能更加强悍的下一代。
仅此而已，对于它的原理这里先不阐述，因为解释起来既非常困难又无关宏旨，估计也不是大家最感兴趣的点。我们还需要记下的点就是怎么算一台能用的量子计算机？根据一些科学家的论文，最后我是这样总结的，
单量子比特逻辑门和双量子比特逻辑门的保真度达到99%以上、量子比特数目达到几十个以上、操作速度和退相干时间在合理范围的计算机就是一台能用的量子计算机。
这句话可能和之前的几句话相比比较复杂，我先解释几个概念。量子比特，就是像经典计算机的比特一样，对于经典计算机，比特数目越多，运算的数就可以越大，其能力就越强，量子计算机也是如此；量子逻辑门，就像经典计算机的与、或、非等逻辑电路一样，单量子比特逻辑门和双量子比特逻辑门是组成量子计算机的基本单位；保真度达到99%，就是为了顺利完成量子计算，各个逻辑门的错误率不能超过1%；量子比特数目，为了发挥它的性能，根据计算，数目起码要达到30个；操作速度和退相干时间，前者越快越好，后者越长越好，我们这里就要求能用就好。
好了，知道这几件事情之后，我们就要了解什么是『半导体量子芯片』。事实上，当『量子计算』这一概念被提出之后，科学家们就前赴后继，为了在物理上和工程上实现它而努力。迄今为止，科学家们提出过的量子计算机的实现形式有很多种，最终大浪淘沙，现在仍活跃在nature等期刊上的主要有三种：
从左到右分别是超导电路、半导体量子芯片和离子阱。
它们迄今为止距离量子计算机实用的目标还有多远呢？在达到99%的保真度的基础上，UCSB的Martinis组（现在在Google）实现了9量子比特的超导量子芯片，新南威尔士大学的Andrew Dzurak实现了2量子比特的硅基半导体量子芯片（保真度有待进一步测量，据信可以达到99%），牛津大学的Lucas组实现了5量子比特的离子阱量子计算。
可以说，现在最有前途的是超导量子芯片，但是电路设计难度随着比特数增多而增大；离子阱量子计算同样性能优异，但体积庞大，看图（最右）即可以知道，小型化尚待时日；而半导体量子芯片虽然不如这两种，但是它完全基于传统半导体工艺，只要科学家能在实验室里实现样品芯片，其大规模工业生产理论上讲就不存在问题，这是它大大超越前两者的优势所在。所以，最终谁能屠龙，尚未可知。
现在回到半导体量子芯片上，作为迄今国内唯一以量子计算机的设计为目标的研究组，中科大郭光灿院士下面的郭国平教授组现在主要的精力就投入到了半导体量子芯片的研究中。该组迄今为止的成绩不完全统计如下（以发表文献为准）：
1、超快单量子比特逻辑门（2013）
2、超快两量子比特逻辑门（2015）
3、利用超导谐振腔实现了两个石墨烯量子比特的长程耦合（2015）
4、在保持操控速度的同时提高相干时间的新型杂化量子比特（2016）
总的来说，我们在量子比特数目、操作速度和相干时间上都可以达到和国际同行相接近的水平，但是保真度还不够高，没有达到99%的要求，需要进一步努力。
而如今，国际上距离实现量子计算已经越来越近，投入的精力和财力也越来越大，Google、IBM、微软等大企业早已布局在这一领域，最近Martinis（在Google获得了巨大支持）在他们的芯片上实现了分子能量的计算，应该说迈出了量子计算的第一步；而两量子比特的硅基半导体量子芯片去年也是世界十大物理突破之一，可见业界对此成就的预期，发展速度必将越来越快。没有人能预计未来，但是很多科学家都提到了十到二十年量子计算的研发目标，Google的Martinis甚至提出『在两三年内造出一台小而可用的量子计算机』。
而我们，虽然没有达到他们的成就，但是距离他们并不遥远，在最终实现真正的量子计算机之前，不宜妄自菲薄，也不要做井底之蛙，『犹可追』是我这篇回答最后的落脚点。
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[2]Veldhorst M, Yang C H, Hwang J C, et al. A two-qubit logic gate in silicon.[J].
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[4]Monroe C, Kim J. Scaling the Ion Trap Quantum Processor[J]. Science, 24):1164-9.
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[10]O'Malley P J J, Babbush R, Kivlichan I D, et al. Scalable Quantum Simulation of Molecular Energies[J]. arXiv preprint arXiv:, 2015.
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关于半导体量子芯片的内容、种类、发展历史其实还有很多可以讲的，感兴趣告知我，有精力我会继续码字科普给大家O(∩_∩)O
【袁岚峰的回答(98票)】:
日，刚好在南京的凝聚态物理会议上听郭光灿院士讲了固态量子存储器的进展。
跟量子U盘这种应用设想比起来，我对宏观实在性的检验这个量子力学基本问题更有兴趣。跟量子U盘这种应用设想比起来，我对宏观实在性的检验这个量子力学基本问题更有兴趣。
据我理解，这件事的进展主要在固态量子存储器方面，不知新闻为什么报成半导体量子芯片。总体而言，这是件大好事，但离实用还有相当远的距离。新闻报道过甚其辞，不得要领。
这条新闻当中，科学家说的都很规范，哪些是已经做成的，哪些只是理论框架，如果成功会如何如何的。而记者也许是听不懂，也许是听着风就是雨，常有胡乱发挥。例如量子搜索，这确实是量子算法优于经典算法的一个例子。在N个无结构的数据中找到目标，量子算法只需要N的平方根次操作，而不是经典算法的N次。但记者把原理解释为搜索5千万本书，量子计算机好比用5千万个人，每人只看一本书，这就完全乱套了。这是并行计算的原理，不是量子搜索的原理。量子搜索的原理确实比较复杂，不容易三言两语说清楚。不过你至少可以少说两句，只说你真正理解的东西，不说错误的，对不对？
关于量子信息，我有一篇全面的科普文章《从量子力学到量子卫星》，将在《中国国家天文》上发表，以后会发出来。我以前写过一篇，可以作为对量子力学和量子隐形传态的介绍，大家可以先看看。
【劉曌埊的回答(4票)】:
最近几年时间，中科院量子信息重点实验室在半导体量子芯片和固态量子存储方面取得了一系列突破性性进展，我认为这个新闻报道更多的是传达了这样的信息。
按照时间顺序分别罗列最近几年实验室在半导体量子芯片和固态存储方面取得的进展，以及相应的比较详细的报道链接。
半导体量子芯片方面：
2013年实现了半导体量子点单电子量子比特的制备并且演示了全电学控制的普适超快单比特逻辑门操作：
2015年实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门：
2015年实现了石墨烯量子点量子比特和超导微波腔量子数据总线的耦合，首次测定了石墨烯量子比特的相位相干时间及其奇特的四重周期特性，并首次在国际上实现了两个石墨烯量子比特的长程耦合，为实现集成化量子芯片迈出了重要的一步：
2016年首次在砷化镓半导体量子芯片中成功实现量子相干特性好、操控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特：
固态量子存储方面：
2012年在固态系统中首次实现单光子偏振态的量子存储器，保真度达 99.9%，刷新世界纪录：
2015年在固态系统中首次实现对三维量子纠缠态的量子存储，保真度高达99.1%，存储带宽达1GHz，存储效率为20%，并实验证明该存储器具有高达51维量子态的存储能力：
2015年采用固态量子存储器首次实现在毫米尺度下量子相干性的实验验证，证实可用来判断量子与经典界限的Leggett-Garg(LG)不等式被违背，为最终解决薛定谔猫佯谬并确定量子与经典的界限迈出坚实一步：
2015年实现了量子点发射的确定性单光子的多模式固态量子存储。该成果在国际上首次实现量子点与固态量子存储器两种不同固态系统之间的对接，并且实现了100个时间模式的多模式量子存储，模式数创造世界最高水平，为量子中继和全固态量子网络的实现打下坚实的基础：
【罗秀哲的回答(2票)】:
喵～我对实验实现不熟啊，我主要是给他们算参数和找方案什么的，如果什么时候听老师说什么了再和分享呐。虽然是我们实验室老师的成果OTZ，我没没找到这个实验工作的文章。（以及不看电视好久的说，被邀请了才知道OTZ）
Dwave是量子计算，可以算作超导的量子计算实现，只是跑的那个算法以及物理实现还没办法带来类似shor算法的指数加速。
IBM的5比特的云计算机感觉是拿来给大家科普的（人家自己也说了）一般理论组还是有合作的实验组的，所以对这个保留看法，看以后会发展成什么样吧。
但是看介绍似乎是量子存储的芯片？量子存储和量子计算本身还是稍有一点区别吧，量子存储除了对量子计算的物理实现有用，也对量子通信很有用。当然了量子通信的一些技术本身也可以用在量子计算里。
至于几种计算方案的比较，倒是可以科普一下，等有空再写，最近在忙着调参数的说...
【张华的回答(3票)】:
理论完全不懂，但是从实用角度可以按我个人的理解稍微提示下：
1、量子计算机（如果产生），爆炸性的应用就是破解密码。
现存的密码体制几乎可以说在量子计算机面前是全体崩溃的。
所以先搞出这个东西很重要，比如如果美国佬先搞出来这个，其他国家防泄密只能靠拔网线了。
2、与之相对应，如果量子计算机搞出来，加密就只能通过量子通信加密。
当然托潘院士的福我们已经有这玩意儿了。
所以总体上量子计算机（虽然用途更多），但是带来的质变就是革了现存密码体系的命。
而量子通信则是新一代加密技术的核心。
【IvanCipher的回答(1票)】:
量子物理学家们加油啊！！！赶紧把可以用的设备材料做出来！让我们搞这方向数学的人也喝口汤！
【棉花绒的回答(0票)】:
量子计算对于整个算法研究意义我认为比密码学要大的多吧。
【passing的回答(0票)】:
隔壁实验室？(?????)っ
【DongpoGeng的回答(0票)】:
好像固定板子的是沉头钉？
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