上帝掷骰子吗？当我们提问的时候，已经在期待一个由量子计算机颠覆传统带来的美丽新世界。
进入量子计算机时代，我们会体验真正精准的天气预报，因为量子计算机可以在同一时间对所有的数据进行分析，并告诉我们坏天气会在何时何地出现；我们会享受更有效的药物发现，因为量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成，并将其中最有可能有效的组合快速识别出，显著降低药物的研发成本和周期；我们会告别交通拥堵，因为量子计算机能很好地协调飞机航线以及地面交通控制……
事实上，在量子的世界里，计算机一直在进化着。
自1945年第一台电子计算机诞生，几乎所有的电子计算机的计算模型都是图灵机模型。而随着计算机的元件尺寸在逼近量子尺寸时，电子变得极难操纵，计算机保持数值0或1的可靠程度降低了。
当摩尔定律极限逼近，经典计算机的CPU正在演化为QPU，时代在呼唤一种新型的、不同于经典半导体的计算机。
总之，“我们不能忍受几十年之后，电脑还是像我们现在的一样几乎一成不变。在人类漫长的演化历史上，在近百年里得到了飞速的发展之后，人类的计算能力不会就此停滞。”上海交通大学教授金贤敏说。
走出理想国的混沌时代，如何实现成千上万个量子比特？
量子计算的概念早在20世纪80年代就被提出了，其基础理论也在90年代早期实现了突破，但是为什么直到最近才出现能实际进行量子计算的设备？
从理论推导的纸上谈兵状态到一台真正的量子计算机，首先要跨越的一大障碍是物理可扩展性问题，即如何实现成千上万个量子比特，并能有效地进行相干操控。到底哪些物理系统适合作为量子计算的载体？
一台量子计算机到底会是什么模样？
打开中科大一楼中微尺度实验室的这扇门，一股闷热的空气扑面而来。我们看到一个悬在空中一米多高、直径一米多的圆柱形罐子，外表用银色的钢铁材质包裹得严严实实。中国科学技术大学教授朱晓波介绍说，我们所看到的巨大的外壳罐子是为了提供芯片工作所需要的极低温、极低噪声的环境。超导量子计算机的核心部件——超导芯片其实位于圆柱形罐子的底部，只有指甲大小。
眼前的庞大装置很难让人直接与印象中的经典计算机对应起来。朱晓波说，目前这套系统还不能称为一台真正意义上的超导量子计算机。在超导芯片的基础上，他希望能做出平台和接口，可以让人去使用。今天，不仅在中国中科大的实验室里，在谷歌、微软、IBM、Intel等企业和机构，量子计算机已经诞生了原型。
朱晓波更像一名工程师，他说：“我们这里实验的方向是超导量子计算机，是目前最被看好的方向之一。在超导体系，现在国际上已经发表的能全局精确操控的已达到了9个比特，我们与浙江大学王浩华教授以及陆朝阳、潘建伟合作，研制出了世界上全局纠缠数目最多超导量子芯片，达到了10个比特。”
由于在可扩展性方面有天然的优势，超导量子线路是一种非常有潜力的实现量子计算的候选方案。
与朱晓波实验室的巨大体积并对运用环境严格苛刻的超导量子计算机不同，上海交通大学光子集成与量子信息实验室里金贤敏在室温下，拿着一枚比手机体积还小的一眼看上去几乎完全透明的玻璃片说：“在研究者的实验室里，从单光子的产生到光子芯片里量子态的演化，再到单光子的探测，整个过程和系统形成了一台模拟量子计算原型机。”与超导量子计算机研发的路线不同，金贤敏的研发成果可谓另辟蹊径。
其实，光量子技术在量子比特的增加难度上要远高于传统超导量子计算。国外主要大企业也因为其节点的扩张难度较高，因此都以超导量子为主要的研究方向。但“最大规模”是金贤敏团队发布的光量子芯片的一个关键词。金贤敏团队成功突破光量子计算的极限，推出节点数达49×49，也就是具备达2401个节点的光量子计算芯片，大幅超越了以色列、英国以及德国的类似研究成果达数十倍以上。
金贤敏解释说，一个量子计算过程完成，其中最关键的就是这枚“玻璃片”。在灯光下，从某个角度看去，这枚完全透明的“玻璃片”上隐约闪现几道光谱。原来，一平方米毫米的“玻璃片”范围内“雕刻”了几千个光波导，所以就像光栅一样呈现为彩色。一个个肉眼看不见的单光子穿过透明的“玻璃片”，几秒之后，显示屏幕上呈现出单光子的二维量子行走演化结果。
与原子、离子、超导电路等类型的量子计算机相比，光量子计算方式运算规模巨大，且其最大的优势为可在室温下、空气中运行，能克服量子噪声极限，结构亦相对单纯直接。光量子计算机不需要巨大的冷却设施和真空设施，在能耗控制与物理系统扩展方面，要比传统量子计算更具优势。
随着量子计算机发展的混沌期过去，大浪淘沙留下的主要量子计算机实现方案是光子量子计算机、超冷原子量子计算机、硅基量子计算机和金刚石色心量子计算机几个不同路径选择。可以肯定的是，现阶段量子计算机的发展方向为从理论阶段转为可使用的状态。
甲之蜜糖乙之砒霜，要一台会出错的量子计算机还是传统计算机？
“量子计算的核心矛盾在于既要耦合，又好操控。”朱晓波说。
多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。
精确超控一个量子比特到底有多难？
朱晓波尽力想用形象化的数据来描述宏观条件下的量子世界的微观能量，他说：“这股能量大概是10-24焦耳，相当于一只蝴蝶扇动翅膀的能量的十亿亿分之一，用力过大或者太小都会功亏一篑。”以此类推，可想而知精确操控10个量子比特的难度有多大。
经典计算机中，一个比特就是一个与非门，不是1就是0，而一个量子比特除了1和0之外，还有第三种状态，那就是“既可以是1又可以是0”的“量子叠加态”。在计算机进行计算的过程中，数据的读取和复制是经常需要执行的操作，这些操作在经典计算机中很容易实现。而在量子计算机中，由于量子叠加态测量时坍缩和量子态的不可克隆性，实现这些操作非常复杂。量子算法的中心思想是利用量子态的相干性，使客观所需的结果增强，同时使非所需的结果减弱，这样客观所需的结果在测量时就会以相当高的概率出现。
随着量子计算能力的竞争日益变得白热化，似乎每天都有一台量子计算机被开发了出来，我们会听说很多“号称”和“宣布”。比如，开发了所谓世界第一款商业量子计算机的Dwave这家量子计算机公司号称达到了千个量子比特，谷歌则宣布推出 72 量子位处理器，IBM 宣布成功研制 50 量子位的处理器。
朱晓波说：“这些宣传的共同点是都没有公开量子比特的性能指标。”
超导量子计算面临的主要困难是：量子位的性能，也就是操控精度依然不够高，特别是当扩展到多个比特以后，则更加难以保证量子比特的性能，使得超导量子计算机难以完成实际的量子信息处理任务。
所有的量子计算都必须在退相干效应发生并扰乱量子比特前完成。而在目前的条件下，一群预先组装好的量子比特位会在几十个微秒内就发生退相干。在这么短的时间内所能完成的逻辑操作的次数，取决于量子逻辑门切换的速度。如果这个速度过慢的话，有再多量子比特位也没用。一次计算所需要的逻辑门操作的次数被称为深度，很显然低深度的量子算法比高深度的算法更容易实现和控制。但问题的关键是它们能不能承担有意义的计算任务。
“所以单单说做的量子比特个数是没有意义的，超导的独特属于宏观方面的，可以直接用半导体芯片的工艺兼容，这是最大的诱惑。也就是说对于量子计算的实现，量子比特个数本身并不是瓶颈，需要的话我们甚至可以随意打印。最难逾越的是量子比特的性能。”
如何将量子操作的出错率减少到低于阀值, 如何确保计算结果的可靠性？
量子纠错是关乎量子计算是进一步发展量子计算的重要技术，没有编码纠错能力的计算设备是非常原始的，而且会阻碍量子计算各种伟大目标的实现。2014年，UCSB的小组在超导两比特门上将保真度提高到了99.4％，目前朱晓波团队也已达到了同一水平。但这只是要求最低的一个纠错码的最下限，只是可以开始做量子纠错码的一个开始。按照这样的路径走下去，距离真正可用的量子计算机实现还有漫长的路要走。
实现“不会出错的量子计算”是否还有其他的路径可走？
放眼量子计算领域有几种主要核心理论，比如量子门模型、拓扑量子计算机、量子退火及量子行走。英特尔、IBM 等主流大厂走的都是量子门模型，而著名的DWave Computing 则是主打量子退火。
金贤敏介绍说，量子行走在一些特定的搜索和量子模拟问题上，有着比经典行走指数型加速的优势。相比于量子门模型算法，量子行走算法可通过构建量子物理系统直接实现，而不需要依赖复杂的量子纠错，因此更加可行。
特别是金贤敏在2018年5月研发出的最大规模光量子计算芯片，使得真正空间二维自由演化的量子行走得以在实验中首次实现，将促进未来更多以量子行走为内核的量子算法的实现，对于未来模拟量子计算机的研发具有重要意义。
从理想国到实验室的进化进程中，量子计算机时时刻刻都在打磨着量子比特的性能，提高量子比特的计算深度，不断寻求着一个进入现实世界的入口。
找到一个有用的问题，“量子霸权”的奇点何时到来？
“当时比较迷茫，在第一次演示玻色采样模拟量子计算模型之后，一个经常被问到的问题是，除了在玻色采样问题上与经典计算机PK，这种专用的量子计算机还能做什么？”金贤敏回忆自己在牛津大学光学量子计算团队成功演示了玻色采样问题之后面临的一种困惑。
这种困惑折射的是量子计算机的时代局限性。
在摩尔定律时代，传统计算机面临瓶颈，通用量子计算机仍然遥远。那么，是否存在一些特定的问题，只有量子计算机才能完成？2010年，MIT的计算机科学家提出并严格证明，在一种类似于高尔顿板的量子光学系统中，进行“玻色采样”的任务，就是这样一个为量子计算机而生的问题。
“也就是说，这样的问题是有选择性的，是专门为‘专用机’设计的。而找到一个实际有用的问题，这才是量子计算机商业化的起点，这才是完整意义的产业化的起点。”朱晓波说。
所谓“专用机”（即“模拟计算机”），是与通用机（即“数字计算机”）相对应的。目前的量子计算机都属于专用计算机阶段。但即使专用机执行某种特定任务时能超过任何经典计算机的能力，这一事件被称为量子霸权。这意味着量子计算机超越所有经典计算机的时代的到来。
目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光，运算速度是每秒9.3亿亿次；而一台50量子比特（或具有同等态空间尺度量子系统）的运算速度将达到每秒1125亿亿次，将瞬间秒杀世界最强超级计算机。所以，50量子比特系统是理论上可以实现“量子霸权”的起点。
而要真正解决规模化的实际问题，实现真正商业化的通用量子计算机至少需要100万个量子比特甚至更多。朱晓波想了一下说：“对量子计算机的未来需要谨慎地乐观。量子计算机现在还在发展初级阶段，大致相当于经典计算机的二极管时代。100个量子比特、40个以上的深度、3年之内有望实现量子称霸。”
光量子芯片让我们千真万确地看到算力加速，比如经典计算机需要100分钟的计算问题，光量子计算机只需要10分钟，以此类推。问题越复杂，量子计算带来的优越性越明显。一旦追赶上以后，游戏规则就被打破了。也就是说，当量子计算机继续增加一个光子，算力就达到了250+1，算力就增加了一倍，而经典计算机需要再盖一栋楼才能达到同等算力。
金贤敏说：“可以肯定的是，相比于传统的计算机，大规模光量子芯片可以针对特定问题实现算力加速，证明了在量子随机行走等特定问题上有潜力超越经典计算机。但要实现真正的超越，还是一个艰难和漫长的过程。”
“对科学发现超级自信，对产业发展乐观谨慎。”在金贤敏的量子实验室里，几平方米的光学平台上摆满宏观光学元器件，也只相当于几个量子单元，仍无法实现大规模量子计算。“我们现在与发达国家技术上的差距最早都是从前沿领域开始的。虽然现在能够实现的量子计算系统看上去仍然像个‘玩具’。但即使是玩具模型也要先开发出来，早期技术发展和产业化非常重要。”金贤敏很坚定。
赋予人们希望的是，即使是不完善的量子计算机也可能是有用的。“我们可以期待一些原理性的应用，比如将网络节点排序、搜索问题、优化问题等映射到二维空间随机行走的模型，但目前还没有实际应用。期待更多的科学家加入进来，在模型的基础上寻找更多的映射，进一步应用开发。”
“人类正处于巨大计算能力爆发的前夜。”金贤敏说，“我特别喜欢这句话。”