靠谱？大众公司要用量子计算机拯救北京交通 1秒内给出1万辆车的最优路线

北京的交通拥堵，被称为世界之谜，穷尽了各种算法：限行、摇号、修七环。。。，依然无解。就在众人惆怅之际，大众公司突然站了出来，高喊，我们能解决！

这是在夸夸其谈吗，看起来不像，因为大众公司手里掌握了一张王牌：量子计算机。我们都觉得这个黑科技离自己辣么远，但是大众集团的首席信息官Martin Hofmann博士表示，“量子计算并不遥远，我们已经将这种技术用于实践了。”

Martin Hofmann 博士带领了 5 名数据科学家组成的团队，采集了北京的10,000 辆出租车GPS数据，同时利用 D-Wave 公司价值 1500 万美元的的量子计算云平台模拟出每辆车从市中心到达机场的最佳路线，他们的目标就是，在32公里的路程中以最快的速度到达目的地，且不会造成交通堵塞。

经过近六个月的试验之后，Hofmann 博士和他的团队在今年三月份给出了最终的成果：他们所开发的算法可以在不到一秒的时间内就给出每辆车的最优行驶路线！

额滴神！如果用普通的计算机，要45分钟才能完成同样的任务，对于拥堵的路况，那就是像一个世纪那样漫长。

更多的项目细节没有得到披露，但是，Hofmann 博士表明第一代产品会在今年年底前亮相，他信心满满地表示：“如果技术可以按照我们所预期的那样推进，那么估计在六到八年之后，这个世界上就不会有交通堵塞发生了。”

量子霸权

关于量子计算机性能超越传统计算机这一关键转折点，计算机科学家有个专有名词，即“量子霸权”。从各方面来看，这样的转折点正在临近。

与传统计算机使用 0 或者 1 的比特来存储信息不同，量子计算机使用量子比特来存储信息。量子比特存储的信息可能是 0、可能是 1，或者有可能既是 0 也是 1。

量子力学认为，微观物体可以处于一种「似是而非」的状态，即一个原子可以同时处于两种状态，这就是量子叠加。

1 个量子比特可以存储 2 种状态的信息，也就是 0 和 1；2 个量子比特就可以存储 4 种状态的信息，3 个 8 种，4 个 16 种。

量子计算机的性能随着「量子比特」的增加呈指数增长，而传统计算机按「比特位」呈线性增长。总有那么一个临界点，量子计算机的性能就会超过传统计算机。

传统计算机解决一个问题的方式就类似于你试图逃离一个迷宫——尝试所有可能的走道，途中会遇到死路，直到你最终找到出口。而叠加态的魔力则在于，它允许量子计算机在同一时间尝试所有的路径，也就是说，它会迅速的找到一条捷径。

传统计算机中的两个比特可以有四种不同的组合（即 00、01、10或11），但它们每次只能处于其中的一个状态。这就限制了计算机的处理速度，就好像在迷宫中要尝试一个个走道。

在量子计算机中，两个量子比特同样也有四种态（00、01、10或11）。不同的是，由于叠加态，两个量子比特可以同时处于这四种状态。有点像四台传统计算机同时并行工作。

如果在传统计算机中增加更多的比特，它依旧只能在一个时间内处理一个态。但是当你增加量子比特时，量子计算机的能力就会以指数式增长。从数学上来说，如果有“n”个量子比特，就可以同时代表2的n次方个态。
三个量子比特可以同时代表8（= 23）种状态；四个量子比特则可以同时代表16（=2⁴）种状态。64个呢？你会得到18,446,744,073,709,600,000（=2⁶⁴）的可能！

虽然64个比特也代表了2⁶⁴种状态，但它一次只能代表其中一种。要循环所有这些组合，一台现代的个人计算机需要400年的时间。

但为了得到指数式的计算速度，所有的量子比特都必须通过一种叫做“量子纠缠”的过程联系在一起。爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用”。
△纠缠的两个粒子。起初两个粒子处于自旋向上或向下的状态，一旦知道了其中一个自旋状态，我们就立即知道另一个的自旋状态，无论相距多远。

举个例子，在上图中，起初被纠缠的两个粒子都处于自旋向上或向下的叠加态。一旦我们通过测量知道了第一个粒子的自旋是向上的，那么第二个粒子的自旋肯定向下，即使它们相隔宇宙的两端。当有多个量子比特被纠缠的时候，对其中的一个量子比特的操作就会瞬时影响所有其它的量子比特，就意味着空前的并行运算能力。

怎么获得量子比特

恭喜！能问出这样的问题，说明你天资超人！

对，制造量子比特才是让科学家最头疼的。
现在能制造量子比特的材料有这么几种：光子、原子核、离子。

光子是科学家最喜欢的，因为单一的光子就是一种量子比特，0 和 1 可能存在的状态就像是光子横向或纵向的偏振，在量子世界，光子可以同时表现出所有的偏振状态。直到你把一个光子送到滤光器，它必须决定自己是纵向或横向偏振。

一个原子核也是一种量子比特。它的磁矩（它的“自旋”）方向可以指向不同的方向，在强磁场下，它可以向上（代表1）或向下（代表0）。

离子是由原子剥去电子形成的，将它放在真空中，发射激光脉冲就能改变它的状态。
此外，超导线路中的电磁振荡也可以用来作为量子比特。这些作为量子比特的线路可以取值 0（没有光子通过）或 1（有微波光子）。谷歌研发的量子计算机就是采用该方案。

在做出量子比特后，还有一个问题就是怎么读取信息。记得前面说过量子有叠加状态吗？这种状态既是0又是1，你怎么知道它到底在传递什么？

这时候就需要量子算法了。它会加载量子比特往正确的一面倾倒，给出对的答案。这么说是不是很难理解，那就看看下图。

迈向量子霸权之路

评价量子计算机性能的一个最基本指标就是看它能同时精确操纵多少个量子，也就是拥有多少位量子比特。

2013 年 5 月，谷歌和 NASA 在加利福尼亚的量子人工智能实验室发布 D-Wave Two，这台量子计算机的量子比特数是 9 位，同时操纵 9个量子，换句话说，他的信息长度是 2 的 9 次方，也就是512 位。

D-Wave也是本文故事的幕后主角，这家公司的计算机一度被人质疑不是真量子计算机。

2016 年 8 月，美国马里兰大学发明世界上第一台由 5 量子比特组成的可编程量子计算机。

我国刚刚在 2017 年 5 月 3 日发布的这台量子计算机则是用光子取代了电子，因此称之为光量子计算机，量子比特数是 10 位，因此，信息长度就是 1024 位。
科学界认为，超过49个量子比特这一关键门槛,量子计算机就能获得“量子霸权(quantum supremacy)”,拥有让传统计算机自愧弗如的强大能力。所以，各个公司，国家都在你追我赶地通向这个门槛。

在摩尔定律即将走向尽头的时刻，量子计算机被看成是一道希望之光。谁先掌握，谁就拿到通向新时代的门票。

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