自1946年第一台电子计算机ENIAC发明以来，依托冯·诺依曼架构的经典计算机计算能力快速发展，取得了惊人的性能进步。但是经典计算机CPU依赖晶体管开关进行二进制计算（我知道你们要说毛子的三进制计算机，不过那个只能说是特定历史背景下的产物），在物理制程快要到达极限的情况下，算力的提升已经能够看到瓶颈。恰逢近年来量子计算蓬勃发展，给出了一条计算能力拓展的新路径。

一、什么是量子计算机

量子计算机是遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算设备。

至于什么是量子嘛——

量子（Quantum）不是某种粒子，而是“微观世界里，能量/电荷/角动量等物理量不能连续变化，只能一份一份、取分立值”的最小单位。

简单地说，就是物理量最小的、不可拆分的份额，是能量、场的计量单位，不是实物。虽然其不是实物，但是很多基本粒子恰好是某种场的量子，比如光（量）子就是电磁场最小涨落激发的基本粒子。但是电子是基本实物粒子，却不能叫“量子”，只能说电子的能量是量子化的。

读者们有兴趣可以去了解量子力学的产生、发展过程，膜拜一下量子力学的大佬们，下图是1927年第五届索尔维会议的合影，把这些大佬的合影放家里辟邪再好不过了，连鬼飘过来都能被他们算出轨迹来然后被捉住~

为什么量子可以用来计算呢，在涉及量子的四个特性：

（这部分内容看不懂没关系，后面可能更看不懂。另外，作者本人是一个小胖子文科生，只能尽力理解，却不能说懂。毫不夸张地说，在整个历史维度上能够说“懂”量子力学的应该不超过100个人。嗯，所以大家的“不懂”再正常不过了）

（一）量子叠加

量子比特在被观测之前可以实现0和1两种状态的共存，这就是量子叠加态。

一个量子态可以写成：∣ψ⟩=a∣0⟩+b∣1⟩的形式（a，b是复数，是复数不是负数！好了我知道你不懂，其实我也没那么明白；竖线和尖括号是狄拉克符号，代表量子态矢量），可以理解为二维空间在半径为1的圆上的矢量，只不过X和Y坐标维度替换成∣0⟩和∣1⟩两种共存状态，量子态在不被观测之前可以表现为叠加态：

图片其实非常不严格，但有助于各位理解。实际上，a、b两个复数符合∣a∣2+∣b∣2=1（复数模的平方=1），∣a∣2是观测到∣0⟩的概率，∣b∣2是观测到∣1⟩的概率，所以示意图做平面上的单位圆来表示。

量子态在被观测时，不确定的潜在概率变成唯一确定的物理现实，这个过程就是波函数坍缩。大概的原理是因为测量需要与被测量微观粒子发生能量交换，会导致叠加态被破坏，变回经典确定形态。波函数坍缩至∣0⟩和∣1⟩的概率分别为∣a∣2和∣b∣2，既然是概率，就意味着即使∣a∣2无限接近1，也存在测量得到∣0⟩的概率。

其实宏观世界也存在叠加态和波函数的坍缩，这个思想实验就是地球人都知道的薛定谔的猫。大家可以参照薛定谔的猫理解量子叠加态。

（二）量子纠缠

多个量子共用同一个整体量子态、无法各自独立描述，测量一个瞬间锁定其余所有量子状态，即为量子纠缠。

没有纠缠的量子比特是一堆孤立的状态，不能协同计算，有了量子纠缠，全体比特形成纠缠态整体，N个纠缠比特同时代表2N种输入组合，一次量子运算等效经典计算机2N次遍历。

这段简单代码大家都能看懂：

For i=1 to 2N次

{检查i是否符合条件}；

量子计算机借助量子纠缠一次完成。当N（量子比特）数量足够大时，量子计算可以碾压经典计算。

量子叠加使得一个量子能够同时表示0和1两种状态，在此基础上，量子纠缠使得N个量子比特就能够表示2N种状态，这哥俩一起为量子计算提供了基础。

（三）量子干涉

量子比特的概率幅a、b是复数，具有相位（可理解为“波动的步调”）——当两个量子态的相位相同时，概率幅叠加（相长干涉，概率变大）；相位相反时，概率幅抵消（相消干涉，概率变小）。这就是量子干涉。

上图可以看到两道声波发生干涉，实现了相消干涉。量子计算也是通过干涉调控量子态的概率幅，让“正确答案”相长干涉概率变大，“错误答案”相消干涉概率变小，最终以高概率输出“正确答案.”。

（四）退相干原理

量子态（叠加态、纠缠态）极其脆弱，微观粒子与环境（热振动、电磁辐射、光子碰撞等）的任何微小相互作用，都会导致量子态坍缩为经典态，叠加与纠缠特性消失，这个过程称为退相干。

目前主流超导量子比特相干时间小于1毫秒，还不足以支撑大规模复杂量子运算。

二、量子计算机类型

从技术路线上讲，量子计算机有人工量子比特（超导量子电路、硅基量子点），天然量子比特（光量子计算、离子阱、中性原子）两种技术路线，从功能上讲，分为通用量子计算机、专用量子计算机两类。

专用量子计算机只针对单一问题优化，硬件结构高度定制，不能用于其他问题求解。

通用量子计算机依靠量子门组合，可以编译所有量子算法，可编程性强。在密码学、生物医药、化学、新材料、图论、量子AI、基础物理等领域相比硅基计算具有巨大优势。需要注意，量子计算机虽然也是图灵完备的，但是其只适合经典计算机无法计算的难题，在日常操作系统、程序运行方面，量子计算机无法替代经典计算机，这是由量子计算机的特性决定的。未来的量子计算主流形式将是CPU+量子协处理器的模式，由经典计算机对量子计算机发布指令，调用量子芯片加速经典计算机无法完成的任务。

（一）专用量子计算机——九章四号

上面是九章四号的介绍，是不是看的云里雾里，那先看看下面的高尔顿板。

高尔顿板从上面扔小球，小球碰撞钉子落入底部盒子，统计每个盒子有多少小球。

九章四号可以理解为量子高尔顿板，在一个时间窗口内产生大量光子（最多3050个），在途中经过复杂光路干涉，在8176个出口探测有没有光子（不是多少个光子），然后通过多次实验，统计每个出口被击中的概率，通过概率完成对高斯波色采样近似值的计算。

传统计算机计算一次3050个光子的在各光路的输出概率需要1042年（宇宙年龄1010年，这个时间是宇宙年龄的1亿亿亿亿倍，不过有一说一，经典计算机输出的是确定的计算结果），量子计算机发射一遍光子跑完光路的时间是25微秒，多跑几遍计算出的近似值即可具有实际应用价值，在高斯波色采样问题上，专用量子计算机堪称无敌！

上图是九章四号光学网络，上面的精密光学元件、分束器、反射镜、光纤，组成巨大干涉网络，相当于把高尔顿板的“钉子”换成了一整套量子光路。

上图是一个最简单的双分束器干涉光路。包含左下、右上两个分束器、两个反射镜（量子计算机中是光纤）、两个光子探测器。通过PZT（锆钛酸铅压电陶瓷，作用相当于电控纳米伸缩器）调节光纤长度（光的波长级别调整，数百纳米级），进而调节光程，改变光相位，最终调整光子到达两个探测器的概率。

九章系列专用量子计算机是可编程的：通过改变光路、PZT微调光纤长度，以此映射实际问题中的节点和路径的权重值，在完成调整后输入光子输出实验结果，多次实验统计结果，计算出近似结果，这就是九章量子计算机的运行原理。

另外需要提及，双分束器干涉光路最早是由物理学家约翰·惠勒提出的一个思想实验，在物理学上是大名鼎鼎的“延迟选择实验”，有兴趣的读者可以自行了解一下，这个实验的结果堪称“见鬼”级别，充分反映了量子力学的反常规、反直觉的荒诞特质~

从专用光量子计算机的介绍中不难看出，其主要建造难度在于高精度光学器件的制造和安装调试，A股相关标的如下：

1、分束器相关标的

（1）腾景科技：九章1~4代空间主干涉网全部50:50立方体分束器、偏振分束PBS定点供应；

（2）波长光电：科研量子光路批量供货，国产分光棱镜主力厂商；

（3）蓝特光学：光学棱镜、胶合分光镜量产，可定制任意分光比分束器，国内精密光学供应商。

2、纠缠光源晶体

光源晶体是量子光路的光子源，相关标的：

福晶科技：BBO/LBO非线性晶体全球龙头，九章纠缠光子对产生核心材料，光量子计算刚需。

3、PZT压电陶瓷

（1）天通股份：高端压电陶瓷龙头，PZT压电片量产，PZT陶瓷用于光纤缠绕拉伸移相器；

（2）联创光电：PZT厚膜压电元件，光器件压电驱动原料；

（3）华瓷股份：高压/精密压电陶瓷，科研PZT配套。

4、特种低损光纤

（1）长飞光纤、亨通光电：超低损耗1550nm科研光纤，光纤延时环基材，调相光路光纤主材；

（2）光库科技：光纤器件、光纤分束器、光纤相位调制器，九章光纤环内置光纤耦合分束器量产商。

怎么说呢，万物皆是光，上面的供应商几乎和光互联中涉及到的原材料、光纤供应商一致，这些处于量子计算/光互联叠加态的标的真是踩在时代的风口上了~

5、整机系统

（1）国盾量子：九章整机测控、电路系统配套，光量子工程化落地主体；

（2）科大国创：参股九章量子4.29%股权，算法+系统集成；

（3）光迅科技：量子光芯片、单光子探测器，光路后端探测器件。

三、结语

量子计算机第一篇完结，第二篇将会以IBM超导量子计算机为例介绍通用量子计算机。欢迎大家留言讨论、点赞，谢谢~