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今天的罗胖，来自得到App的最新课程《前沿科技·量子计算》。量子计算这个词最近很热。
这门课的主理人是清华大学的李铁夫老师。他在量子计算机这个领域已经深耕近20年了，也是我非常尊敬的一位科学家。
“量子计算机”这个词，几年前还只能在科幻作品中看到。现在，你经常能听到IBM、微软、谷歌这些公司说它们在量子计算机上有了重大突破。甚至谷歌都号称他们已经实现了量子霸权。那么，量子霸权究竟是个什么技术？它发展到了哪个阶段？又对我们意味着什么呢？
接下来，就让我们一起听听李铁夫老师的讲解。
欢迎来到《量子计算》课程，我是李铁夫。
一、量子计算机已经诞生，正在成长
一台大规模的、能解决实际问题的量子计算机，什么时候能够实现，学术界还没有一个明确的时间点。
但好消息是，量子计算的计算思想已经在数学上被严格证明了。而且到现在为止，科学家也没有发现任何物理学上的困难，会限制量子计算机的实现。
这就好像，一个孩子已经出生了，虽然我们还不知道他长大后会是什么样子，但是只要他的身体健康、各项指标正常，我们就可以相信他会持续成长，对他的未来充满期待。
二、我们正处于实现“量子霸权”的关键节点
那我们现在发展到了什么阶段呢？现在我们正好到了一个关键节点：实现了“量子霸权”。
量子霸权其实是在2011年的时候，由科学家们提出的一个指标。这里所说的霸权，其实代表了对经典计算机的碾压。当然，这并不是说，需要量子计算机完全超越经典计算机。它更像是一个实验室指标，它指的是，量子计算机只要针对某个计算问题，拥有超越所有经典计算机的计算能力就算达成了量子霸权。甚至这个问题可以完全没有实际价值。
在2019年9月20日，谷歌公司就曾经发表过论文，论文里称他们率先达成了量子霸权。他们研发的量子计算机成功地在200秒内完成了一个计算问题，而现在最好的超级计算机来算这个问题需要1万年的时间。当然了，这个问题是专门设计的，并没有实际价值。
以前都是理论上、数学上的证明，这一次是实验结果给出了强有力的证据，证明了量子计算拥有超强算力。虽然这是具有重大里程碑意义的事情，但是根据论文透露，他们的量子计算机只有53个量子比特，距离使用肖尔算法这样的实用算法还有很远的距离。
那是不是说，这个里程碑达成了，接下来我们要想真正的使用到量子计算，只能等着量子计算机循序渐进地慢慢发展了呢？
三、简化后的专用量子计算机仍然有广泛的需求
实际情况是，我们可能会更早地使用上量子计算机。当然了这里说并不是那种功能完整的量子计算机，而是经过功能删减的，只能用于解决专门问题的量子计算机。
我们前面讲过，实现一个量子计算机需要在很多方面都要同时达到要求。但如果降低标准，放弃某些方面的要求，量子计算机实现起来就会容易很多。
比如，放弃掉量子计算机的纠错能力的话，就相当于取消了冗余信息，那样的话就可以有更多有效的量子比特进行计算了。这就代表了这样的量子计算机不能用来处理通用问题，但是还可以通过算法弥补其中的不足，用来解决一些特定的问题。
当然，更重要的是，我们现在就对这样的量子计算机充满了期待，即便是这样的简化版量子计算机也有庞大的潜在市场。这也正是现在很多公司和机构愿意投入研发的原因。
比如，在制药上，经常需要模拟一些蛋白质分子的折叠情况。因为像是阿尔茨海默症、帕金森症、2型糖尿病等等，这些疾病的致病原因都是因为体内的某些蛋白质折叠错误造成的。
对于这些病症如果想要研究清楚，那么就需要弄明白蛋白质的折叠情况。但是一个蛋白质分子是由许多原子构成的复杂结构，除了原子数量多之外，它的三维空间结构也会影响到它的性质。所以要想研究清楚蛋白质的结构，尤其是它对各种药物的反应，最好的方法就是用计算机将组成蛋白质的所有原子模拟出来，然后将所有变化和反应都在计算机里进行推演。
当然这样的操作依靠经典计算机的算力是无法实现的。但是交给量子计算机却可以，而且用简化版的量子计算机就能完成得很好。
虽然今天的量子计算机还不够帮助阿尔茨海默症这些疾病的研究，但在小规模问题上，这种模拟已经被成功验证了。2017年，IBM公司在7个量子比特的量子芯片上，模拟了氢化铍（BeH2）分子的特性。这虽然是一个简单的分子结构，还没有什么实际用途，但是这也成为了用量子计算机模拟分子的一个重要里程碑。
四、退火量子计算机是最先商用的专用量子计算机
这是用量子计算机进行模拟的例子，距离商业已经非常近了。接下来我要为你介绍一个已经在商用的专用量子计算机了。
它是加拿大的D-Wave公司早在2007年就推出的一台商用退火量子计算机。现在美国的NASA和谷歌都已经购买了这种量子计算机去解决实际的优化问题。
退火是一类算法的名字，专门用于进行问题优化，比如找到复杂区域的最优路线，找到某种材料的最稳定状态，等等。这个词最早是用在冶金技术上的，是指先把金属加热，然后快速降温，这样可以让金属的性质变得更好。
退火算法也是类似的操作，它就像是一个筛沙子的筛子一样，能把许多问题的极大值或是极小值迅速找出来。而量子退火算法会有自己独特的优势，因为它利用到了量子隧穿效应。
量子隧穿的意思，你可以这么来理解。
设想你站在一片群山当中，你希望找到水源，那就需要找到地势最低的地方。但是，每当你从一个峡谷走向另一个峡谷的时候，都不得不额外翻越一座一座的山峰。这样操作费时费力。
对于量子系统，就不用这样爬上爬下了。因为量子系统会有量子隧穿效应，它就像穿墙术一样，可以从山的这边一下子穿越到另一边，省时省力。
量子退火计算机就是为发挥出这个特性而专门设计的，所以它只能运行退火算法。虽然不通用，但量子退火算法正适合大数据、机器学习和人工智能等重要的应用场景，能帮助人们从体量巨大、结构繁多的数据中，挖掘规律，发现模式。这种需求可是非常庞大的。
五、未来十年量子计算机可以达到上百量子比特的数量
专用量子计算虽然需求广阔，但是我们的目标还是去实现能够真正通用的量子计算机。
现在学术界最理想的预期是，未来的十年左右，就可以实现上百个量子比特规模的通用量子计算机了。
这之后，量子计算机的进一步发展，就需要在系统和算法层面进行综合考虑了。之前经典计算机研发时的经验都可以提供借鉴。比如：利用模块化、网络化等方案来提高量子比特规模，这样就可以实现大规模可纠错的量子计算机了。
等真的到了这一步，量子计算机就真的可以成为了通用计算机。不只是去解决大数分解、无序数据库搜索、大分子模拟等等这些特定问题，而是能够用来解决更多、更通用的问题了。
同时，我们也完全可以相信，量子计算机也会和经典计算机一样，会有越来越多的量子算法被开发出来，会有更多的问题在量子计算机上得到解决。
六、量子计算机的极限就是量子力学的极限
最后我想分享一下的是，量子计算机既然这么厉害，那么它有没有自己的极限呢？
我认为量子计算机最大的用处，其实并不是解决今天的困难，而是发现未来。怎么理解？用一句话概括就是：“量子计算的极限，就是发现它自己的极限。”
还是回到第一讲，我告诉过你，计算机的本质是一个物理系统的演化。这个物理系统所遵从的规律，就是计算的法则。物理系统的规律是否更基础更底层，决定了计算机的算力是否强大。
所以，经典计算机的极限，其实就是经典物理学的极限。那么量子计算机的极限，自然就是量子力学的极限了。
量子计算的极限，就在于我们能否突破量子力学。它可是我们现在能够掌握的最基本、最底层的自然规律。
那么人类怎么才能发现更深层次的自然规律呢？
我相信要靠人类的进化。这里的“进化”，不是生物学意义上的进化，而是科技意义上的进化。
因为随着人类知识总量越来越丰富，学科分类越来越精细，很难再像牛顿时代、爱因斯坦时代那样，单靠个体有限的智力和寿命，推动科技快速进步了。
而新时期人类进化的目标，应该是利用有效的合作机制，集结全人类的智力，来应对科技知识快速增长的边际。
今天，全世界科技同行们，开展的最前沿的研究，包括量子计算、脑机接口、人工智能、万物互联等等，都是为了更有效地把每个个体的智力相互连接起来。
那样就能集合全人类的智力，并且用计算机强大的记忆和处理能力作为辅助。等到那个时候，曾经个体智力无法攻克的问题，就能被攻克了。同样也会有更基础和更底层的自然规律会被发现，最后一定可以冲破现在科技发展的天花板。
我相信，以量子计算为代表的算力提升，是人类进化的核心技术。当我们发现了更基础、更底层的自然规律后，在更强大的算力到来之时，才是量子计算机的巅峰极限。
课后小结
量子计算机现在就像是一个诞生的新生儿，它的一切指标都非常正常，我们可以对它的未来充满信心。虽然我们现在还没有真正意义上的通用量子计算机，但是在个别专用领域，已经有量子计算机在发挥价值了。相信很快，量子计算机的发展就会带来一个新的大时代。
思考题
你所在的行业，如果有了量子计算的超强算力，你觉得会有哪些变革呢？会带来底层观念的改变吗？欢迎留言与大家互动。
内容听完了，我是罗胖。
李铁夫老师在课程里打了一个比方，他说：如果把我们现在用的计算机看做是汽油的话，量子计算机就是核能源。它对人类算力水平的提升，那是碾压式的、飞跃式的进展。
所以李铁夫老师用短小精悍的8讲内容，把量子计算的原理和趋势，一网打尽。可以说是我们普通人了解这个领域最好的入口。
你现在在得到App首页搜索“计算”两个字，就可以看到《前沿科技·量子计算》这门课程。推荐你加入学习。
罗辑思维，明天见。
