上周有个刷屏的新闻，中国科学家建成世界首台光量子计算机。一时之间群情振奋，各种解读都欢呼雀跃，终于扬眉吐气啦。有人说，量子计算机的时代就要到来，马上就可以取代传统计算机，计算能力大大突破，真是这样么？从量子这个概念提出开始，就有太多的争论和误解。本文试图介绍一下量子有关的基本概念，希望能够帮助读者理解。当然一孔之见，有错漏请批评指正。
文章篇幅所限，跳过量子力学相关理论的创立，另一个恢宏的故事。直接从早期爱因斯坦和波尔的争论说起， 也就是爱因斯坦当年的名言“上帝不扔骰子”。有关这一段历史，各种书籍文章成千上万，然而一说起来还是很多人不明白爱因斯坦的意思。说明这个事情本身并不简单。其实理解的难度不在背后有多复杂的理论和数学公式，而是基本概念本身。就象相对论曾经被各种误解，直到今天还是民科发表文章的神器之一。量子力学相关的理论甚至被误解更多。
爱因斯坦和波尔到底争论的是什么？所谓上帝不扔骰子是什么意思？其实其核心来源于对微观世界不确定性的解释。 我们在高中就学过了物理有个测不准关系， 无法同时精确测量微观粒子位置和能量。还学过德布罗伊的物质波，基本粒子都有波粒二象性。量子力学里有美妙的薛定谔方程，把微观粒子的特性的统一为方程的解，一个波函数。这样就在微观世界中引入了不确定性，或者说概率。
而按照传统物理学的研究思路， 一但有某种不确定性，看上去随机的一些东西， 那是因为我们还没有真正理解这件事情背后的机制。这种随机性肯定来源于一些隐藏的物理实体或者机制。一旦我们发现这种背后的实体或者机制，之前的所谓随机就可以迎刃而解，变的可以用理论来进行确定性的描述和预测。这就是爱因斯坦当年的意思。爱因斯坦不同意量子力学的概率解释。尤其是所谓量子纠缠，为此他在1935年发表文章提出了著名的EPR佯谬。然而到了今天， 我们可以明确的说， 爱因斯坦的质疑并不成立。
看上去波尔似乎赢了这一局。 并没有什么没发现的隐含变量，粒子似乎就是用波函数描述的某种概率性质的存在。通过量子力学理论计算出来的结论被无数实验结果验证，极其准确。那为什么还有这么多争论和含糊？还是要归结到对不确定的理解上。
按照波函数的概率解释， 如果我们认为粒子是某种实体， 它会以概率来出现在不同的地方。假设我们人为的把粒子可能出现的区域分成两半，一半定义为0，一半定义为1，那么粒子即可能为0，又可能为1，它的存在是0和1的叠加。由此而引申下来就有著名的薛定谔的猫， 如果我们让这个粒子的0或者1控制一只猫的死活， 那这个猫就处在又死又生的叠加状态。这看上去无比的荒谬。
完整的薛定谔实验叙述是将一只活猫、一瓶毒药和一个放射性原子放入一个箱子。如果原子衰变，就会有榔头打碎瓶子，放出毒药，杀死猫。根据量子力学，原子有50%的概率在一小时内衰变。所以1个小时候，不打开箱子观察，猫处在50%生50%死的叠加态。一旦揭开盖子，量子态塌缩，才知道猫的死活。
先放过那只可怜的猫。回到基本粒子比如说电子上来。电子有个著名的双缝实验，让电子通过一个双缝，会在之后的靶面上形成干涉条纹，这说明确实有某种波，或者位置的不确定存在，奇妙的是，一旦研究人员试图在某一条缝上观察电子，比如放一个计数器，条纹就消失了，电子出现会出现在某个特定的位置上。按照波尔主导的哥本哈根学派说法，因为观察导致波函数塌缩了。
量子力学实际上有各种不同的解释。 爱因斯坦认为存在隐变量是一种，哥本哈根学派的无处不在的波函数一观察就塌缩是一种。还有一种休•埃弗莱特提出的所谓多世界理论：一个高维空间包含了各种低维可能的世界。在每一条时间线上都会分叉，猫活着和猫死了的世界同时存在。这个理论是科幻小说和电影最喜欢的东西。
此外还有一种出发点是统计理论的观点， 就是所谓概率是总体的统计行为，讨论单个粒子没有意义。并不存在“单一”事件的行为，我们观察到的只能是来源于统计的结果。
到这里，应当容易看出，所谓的解释，实际上是哲学。 隐变量的说法更像是唯物主义，一切都要基于客观的实体。哥本哈根学派有点唯心主义，看到了才算，如果更绝对一点，没看到的不关心，那就是主观唯心主义。 多世界的说法是和稀泥，有多个世界，你只能处在其中一个，双向选择，姑且算作是客观唯心主义吧。而完全是统计的观点是彻彻底底的实用主义，不争论。
科学和哲学到最后是分不开的。最新的一派理论， 是所谓的量贝理论， 来源于2001年美国学者卡尔顿•M•凯夫斯(Carlton M. Caves)，克里斯托弗•A•富克斯(Christopher A. Fuchs)和英国学者鲁迪格•沙克(Ruediger Schack)三人的论文《作为贝叶斯概率的量子概率》(Quantum Probabilities as Bayesian Probabilities)。
在他们的最新解释里。我们用贝叶斯理论来看世界。 所谓的波函数是一种先验，通过观察过程，影响了波函数，导致了后验。 这个过程并没有什么塌缩。因为所谓先验的波函数也只是一种主观的想象和解释。 对于薛定谔的猫来说， 所谓猫又死又活的状态是观察者一种主观的信念，并不是猫的客观状态。之所以这样理解， 是没有更多的认识和线索。揭开盖子的时刻，也只是通过观察猫真正的死活来修正自己的信念而已。在贝叶斯理论里，概率都来源于信念（belief）。这样就没有什么塌缩的矛盾之处了。
对大多数物理学家来说， 接受贝叶斯的观点很困难，因为这样想可能过于主观了。有关量子的波函数是什么肯定还要继续吵下去。但是有了这些讨论，我们可以大概说说所谓的光量子计算机是什么了。
首先先说量子计算机是什么？ 量子计算机并不是一种通过编写程序，可以做各种通用计算的图灵机。所谓的量子计算机， 是利用量子的这种叠加态来解决优化问题的计算装置。把量子叠加态的波函数理解为一种分布，比如说单个量子同时处在0，1，2，3四种状态， 而把两个量子在放在一起叠加，就可以代表4*4， 16种状态。 n个量子就有4的n次方个状态。如果n比较大，比如64， 这就是一个极大的数字。按照贝叶斯的观点，这是我们的初始信念，有4的n次方种可能。然后信念或者说状态就开始演化，可能越来越少，最后剩下一个最可能的就是所谓最优结果。这样我们就求解了一大类所谓组合优化问题。
就算是不能通用计算，能做这一大类优化问题也很了不起， 比如密码的破解，神经网络的学习也可以分解成优化问题。然而事情并不是那么简单， 想做量子计算，先要有量子。
做出一台量子计算机， 大概要这么几步， 要有量子， 可能用来计算的叫所谓量子比特，要控制量子波函数的演化，还要有量子门，这些东西现在已经有了。下一步是多个量子和量子门纠缠起来，还要稳定可控这一步就相当难了，大部分目前的研究还都在这一步。第三步就是要保证计算过程不出错，就是所谓量子纠错。量子计算机总能给你一个结果，但是这个结果是不是你想要的，并不那么容易验证。最简单的办法就是再做一次，看结果是不是一样，要达到这一点，要保证计算过程不出问题，出现了偏差要纠正回来。直到今天，理论问题都还没有解决， 我们还不知道如何做出这样的量子计算装置。
那有人要问，google不是做了D-wave量子计算机吗， 据说是49个量子位可以做计算。其实google也同样没有解决纠错问题， google只是设想即使这样，面对组合优化问题，我们也还能得到不错的结果，不是最优解，可能是次优解，而且这样的解可能比目前传统计算机给出的结果更好。
而媒体所谓世界首台光量子计算机。只是在上述过程的第一步到第二步之间，一个能让10个量子纠缠的实验装置。更确切的说，甚至不是光量子，而是所谓超导比特。google搞的那个也是。
如果不看媒体的吹嘘，这个所谓的光量子计算机还是很牛的，探讨通过一些机制如何更好的保持和控制量子纠缠。原文在 ht tp://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html. 文中对比之前的方法，性能提升了很多。可以算作一个科学研究的突破进展。
媒体动不动就要搞个大新闻，宣传一个科技进步有多么多么牛，吊起公众的胃口，马上大家就能进入未来世界，以此来吸引眼球。可能今年，我们还能看到google又搞出了不起的量子计算机的媒体报道（按计划今年要发布）。
然而事实是：没个几十年的努力研究探索，看不到能用的量子计算机。而一旦炒作的热度过去，媒体又会翻脸如翻书，让搞研究的人背锅，斥之为“一群骗子”。vr里的明星公司magicleap已经有此遭遇。在当下最火的人工智能领域，目测一大拨搞自动驾驶的，机器人的骗子正在涌来。
撇去表面浮华，请多一点耐心。路漫漫，其修远兮。