杰森帕尔默说道，经过实验室几十年的不断探索，量子物理的一些奇特效应已开始投入使用。
ATRICK GILL 是伦敦西南部英国国家物理实验室（NPL）的新量子计量研究所的主任，也是原子钟领域的专家。他指向一个满是透镜、反射镜、真空室和电子设备的大桌子说，「那边还有一个小的。」
NPL 是全球官方的几家原子钟实验室中的一位。在所有原子钟实验室中，每一个旗舰设备（有一些设备很大的）两侧都有建设中的更小设备。小型化是游戏的代号。这边是一个符合标准的电子机架，19 英寸宽。而另一边是一个拳头大小的、在安全卫星内来保护原子钟珍贵的内部的 gizmo。
NPL 开发的铯原子钟可以说是世界上第一个量子技术，虽然它没有这样标榜自己。最常用的方法首次使用于 1950 年，通过将能量加进原子从而创造「叠加态」，如此可测量原子在同一时间不仅有一个能量状态 – 激活和休眠。探测这种奇特情况揭示了这些原子的「时钟频率」- 每个大陆上时钟的一个常数。这个常数也是时钟精准度的基础，也是国际上赞同的对秒的定义的基础。
经过几十年的实验工作，一大批依赖量子力学效应的不同设备和方法现在已经准备投入市场。它之所以花了这么长时间，主要是因为必须首先开发组成它们的组件：更好的激光器、半导体、控制电子，以及许多量子系统实现最好表现的条件——低温技术。
英国没有在市场中开发原子钟。相反，设备发明一年后，它被美国公司 National Company 商业化。鉴于这些新的量子技术的潜力，这时候很多人都在想把它商业化。NPL 越来越小的时钟只是朝市场产品迈出的一小步，这种产品在导航方面，远胜 GPS（本身是原子计时的应用），或帮助地下勘探。量子技术的时代几乎快要到来。
怪诞的量子力学
自然界中的一切都可以用量子力学描述。一个世纪前诞生的量子理论是原子尺度上所发生事情的规则手册，提供了从周期表布局到原子扫描器喷涂粒子家族的一切解释。它引导了从激光到 MRI 机器等日常技术的发展，并在天体物理学家对诸如黑洞内部和宇宙的黎明之类不可知事物的研究中建立了坚实的基础。它揭示了一些令人惊讶的发现，如只有在离散的大小（量子）原子才能吸收和发射能量，光和物质既可以是波也可以是粒子，这是现代物理学最大的胜利。
它有怪诞的一面，但正是这怪诞的一面吸引了人们对现在被称为第二次量子革命的兴趣。第一次量子革命是关于物理学：理解世界如何在量子力学规则的微小尺度上工作。粒子不仅能像原子钟里的原子一样可以同时处于两种状态;有时两个粒子分开很长的距离似乎可以感知彼此的情况，也就是纠缠。粒子的精确位置或状态在测量之前是不确定的，只有比给定结果更高或更低的似然性，并且测量过程会不可逆转地改变该情况。所有这一切从 20 世纪 20 年代中期的数学上已经很清楚，但直到 20 世纪末期才在实验室实验中显现出来。随着理论预测被投入使用（例如在电子学中的使用），量子力学被冠予了反直觉、甚至完全怪异的声誉。
这些年来取得的专业知识正在带来好处。最反直觉的量子力学预测被用于测量交错精度，产生不可破解的代码并形成不可穿透的通信网络基础。量子计算机可能最终解决当前无法解决的问题，改善电力传输或能量密集型肥料的制造，或者简单地筛选不可实现的大数据集。然而，很久以前，计算系统还远远不能达到提供行业解决方案的通用机器水平，如金融、能源、航空航天，甚至推荐引擎这种平凡的事情。
从小开始
如今，仍有许多工作要做。虽然少数量子传感器、适度的量子网络和基本的量子计算机已经在使用，但它们仍然没有充分利用量子优势，而且这些量子设备目前少有能被普遍部署的。根据咨询公司 McKinsey 的数据，2015 年全球正在从事量子技术研究的员工约有 7000 名，总预算约 15 亿美元（见图表）。量子技术的产业化将会提升这些数字。
现在值得注意的是量子技术的挑战不再是科学问题，而是工程问题。例如，对较小的原子钟进行搜索; 用于放大、按路线发送量子通信信号的装置; 以及用于量子计算的更鲁棒的「量子位」（后面会有更多介绍）。初创公司正在满怀热情地拥抱这项技术，科技巨头也已经立下旗帜。人们普遍认为，谷歌是量子计算机技术的最前沿，微软有最全面的软件计划。
公共钱财也在流入这个领域。国家和超国家基金机构正在支持越来越雄心勃勃的量子技术。英国有一个价值 2.7 亿英镑（3.3 亿美元）的计划，欧盟已经为一项全欧盟项目预留了 10 亿欧元（10.8 亿美元）。许多量子技术都有安全方面的含义，所以国防部门也在提供资金。
许多公司已经在准备量子技术的未来。在 2015 年，IBM 成立了前沿研究所（Research Frontiers Institute），邀请企业参与者分享关于技术增长领域的想法，量子是其中一个。AXA（一家大型保险公司）的研究基金资助了巴塞罗那光子科学研究所的一位量子信息教授，以考虑即将到来的量子热潮所带来的数据隐私风险。
量子技术看起来很快就能找到进入各种产品和服务的方式（主要是在幕后），这正如人工智能最近所做的。量子技术可能很怪诞，但保证也是美好的。
计量：进行感知
量子技术的超灵敏度使其十分适合测量
自上世纪以来，量子物理便面临着实验的问题。在严格控制的条件下，该理论标明孤立粒子游能力给出各种有趣或可能有价值的行为；但实际操作中粒子和原子从没完全隔离，因此量子实验可能难以实现。
然而，这种困难也为量子技术：感知，提供了机会。英国量子专家 Peter Knight 爵士说：「我们改变了思路。如果它能与外界如此有效耦合，就也能很有效地去感知。」原子钟便是上市的第一个量子技术。大多数设计是通过利用微波产生的原子能级进行工作的。其中一些原子以既不处于基态（最低能量态），也不处于激发态的状态来吸收光，这是量子力学的中心效应。一种改进设计将原子中的微波水平与对应于可见光（频率高得多）的另一水平「纠缠」在一起；这种纠缠是另一种量子效应，它将两个原子的命运暂时但不可分割地连接起来，因此对一个原子的实验能够产生与另一个原子有关的信息。把频率更高的微波原子与可见光纠缠，能让原子钟获得更准确的时间。
2012 年，美国国家标准与技术局（NIST）的 David Wineland 通过说明如何做到这一点而获得了诺贝尔奖。这些年来，他的时钟是地球上最精确的测量设备：如果它在 138 亿年前的宇宙大爆炸时就开始测时，到现在其误差仍不超过一秒。
精准计时用途多样
精准计时，特别是用正在开发的小型廉价设备进行计时具有多种用途——从时间戳的高频市场交易到动态能源网内高速变化的设置。甚至把原子钟举起来就能改变滴答一次所花的时间：根据相对论，越接近地球时间走的越慢。这是障碍还是机会？答案是：相对的。良好校准的原子钟可以使用这种差异进行超精确的高度测量。或者它能在固定的高度感测下面的引力；固体基岩与油气囊的读数不同。
引力定律
时钟不是研究重力的唯一手段。在微观尺度，量子力学规则与物质粒子流的表现会很像波。这些波与池塘水面的波纹一样，能够彼此干扰、增加和削减，用量子描述也就是改变在某处发现粒子的概率。在原子干涉仪中，以不同的高度发送两束粒子流，然后带回到一起进行相互干扰。两条路径的差异大小表明了下方引力的相对强度，从而可测量地改变相加和削减的程度。
这种装置用途很广。如在英国的道路施工和建设过程中，每年会挖出 4 米的洞，但三分之二的挖掘者不知道在地面下会发现什么。测试钻孔覆盖的区域很小，而穿透地面的雷达到达的地方不足深。这是，一个仅从鹅卵石就能辨别管道的重力传感器会省去很多麻烦。
RSK 是清理棕色地带等环境的一家环境咨询公司。他们预估三分之一的建筑项目会逾期一个月，另有三分之一会逾期两个月或更长时间，而其中有一半是地面下的突发状况导致的。这家公司正在与英国伯明翰大学合作开发具有实地应用的量子重力传感器，希望能部署在大型基础设施项目中。其他开发廉价传感器的努力引起了诸如石油服务业巨头 Schlumberger，及测量公司 Bridge porth 等公司的兴趣。
军事有关人员也很有兴趣。英国国防部国防科学咨询委员会的会长 David Delpy 说：「你无法屏蔽重力」。改进的重力传感器将能够探测水下移动的质量，如潜艇或鱼雷，这将会消除法英核潜艇的威慑效果。量子重力仪可以精确地反应地质特征与其引起的重力，正如 Delpy 博士所言，这将有助于在没有卫星导航信号的地方旅行——「一种引力领域的谷歌地图」。
而相对论也表明，重力只是加速度的一种表现：一个优质的重力仪就是优质的加速度计，它也会是一个优质的振动传感器。一旦它们体型足够微小，性能足够强，所有的高精度装置将对汽车制造商，特别是对自动车行业有利，它们将依靠准确感测汽车及其周围环境的运动取得胜利。Bosch 是一家德国公司，它是世界上最大的汽车零部件制造商及许多其他行业的供应商，如今也已注意到其产品量子技术的增强。
该公司的研发总监 Michael Bolle 认为，传感器将成为量子技术首个成功打入市场的产品。他说：「我不是在谈论利基市场，我对触发点感兴趣，即产品进入批量生产阶段的时期。」为了准备这次的市场爆炸，全球的量子技术专家正在争相为自己的发现申请专利。在一些如日本和澳大利亚的国家，量子传感器占了国家专利投资组合的很大份额（如图）。
Bolle 和其他人也对基于「氮空位（nitrogen vacancies）」的传感器感兴趣——即金刚石的全碳网络被缺失的碳原子旁的一个氮原子破坏的位置。这是量子物理学家的地盘：主要通过颠簸时相邻碳原子生成的刚性笼子、波动的外界、容易操纵与测量的氮原子的电子、置于叠加环境甚至让它们彼此缠结来隔离它。类似超灵敏时钟，这些系统对其环境响应灵敏，并且可以作为压力、温度和电流的精确传感器。
最有希望的便是测量磁场。最近有研究表明，氮空位可以检测单个神经细胞的开—关磁场；在人体内部，这个原理同样适用。具有氮空位的纳米级钻石已经用于检测活细胞中的化学变化，来自理论物理研究所和德国乌尔姆量子物理研究所的研究人员已经研究出 NVision，它是一个使用纳米金刚石来匹配目前最佳磁增强的 MRI 技术的启动器，但它仅用四十分之一的成本便能达到 40 倍快的速度。
这些应用中的高性能取决于众所周知的氮空位，它在天然金刚石中偶尔发生，但精确测量中，其位置和数量必须为已知量。进入 Element Six（DeBeers 的子公司，DeBeers 是世界上最大的钻石生产商），他们生产氮空位设计精准的钻石。
捕捉友善的量子幽灵
量子增强（Quantum-enhanced）方法还可以增补其他生物成像技术，比如，正电子放射断层摄影（positron emission tomography (PET)），它能拍摄从注入的放射性追踪剂飞出的高能量 γ 射线光的图片。每个示踪剂分子在与组织的相互作用下于相反方向吐出两个光子，而量子纠缠断层扫描（Quantum-entanglement tomography）就旨在利用这些光子天生的纠缠特性。在 PET 中，因为光子可以弹离身体组织，所以可能难以追踪。每对光子的纠缠使得找出各自来自何方变得更容易，这使得扫描会消耗更少的时间和放射性材料。
Ghost imaging 是另一种利用光子量子性质的有效途径。该技术涉及将光束分成两部分，并将所得到的两个光束对准两个检测器：一个无阻碍；一个通过略微不透明的介质，比如从热的地面或者从烟雾缭绕的房间中升起的湍流空气。因为组成光束的光子互相关联，严格地解释由两个检测器所看到的从而产生眼睛无法看到的图片。在 2013 年，美国陆军的研究人员表明，该技术工作距离超过 2km。
该技术指向了一个有趣的争论：它支持了量子技术社区中关于量子效应如何带来优势的许多次讨论。尽管 Ghost Imaging 在 20 世纪 90 年代被预测到，但是因为光的离散型、光子的可数性，关于量子纠缠是否有用或简单争论仍然非常激烈。量子成像专家格拉斯哥大学的 Miles Padgett 说，「我认为这并不重要。重要的是，我们是否使用我们在量子世界的知识带来了竞争优势？」有了可以检测到一毫米高度差的手持检测器，原则上磁力计可以观察你的每个神经元，成像设备能够看穿整个烟雾弥漫的战场，而且对上面问题的答案更明显是「yes」了。
通讯：我们编制了一个互相纠缠的网络
量子网络可以巩固通信连接
在 2004 年，奥地利银行和维也纳市政厅了完成了第一个量子加密银行转账。量子密码学的先驱 Anton Zeilinger（他的实验室协助了这次转账）表示希望「部署中的所有问题将在三年内得到解决」。但是并没有。
2007 年，当瑞士联邦选举的量子加密计票结果从投票站送到日内瓦州政府时，该技术再次接受检验。工程师坚持认为传输完全不受窃听或干扰；一个名为 ID Quantique 的公司开发了一个利用量子力学中的一条规则来提供全面安全的系统。
这种说法也被证明为时过早。黑客后来证实，用这种技术传输的设备可能容易受到攻击。此外，这种量子加密还需要在发送器和接收器之间使用单个专用的光纤，这将技术限制为高调事物，且舍弃了支撑网络和因特网的许多发送器和接收器之间的交互连接。
主要发现
如今不一样了。为了应对黑客的攻击，该设备已经变得更加安全。现场试验表明，精致的量子光信号可以通过家庭或企业所用的网络光纤传输。并且为了可以放大且分散标准光学信号的设备的量子增强版本所做的努力已经取得成果。量子网络正在兴起或扩张。并且量子通信，就像它们的传统对手一样，也将很快的通过这个网络。
最受争议且被部署的技术被称为量子密钥分布（QKD）。在一种设置中，发射器朝向接收器发射单个光子，其随机地选择随着光粒子被极化的四个平面中的一个，其中两个与 0 相关联，而另两个与 1 相关联。接收器同样随机地选择极化的种类进行检查。在发送这些位相关联的一串光子之后，这一对 guang zi 可以公开比较其所采用的极化（polarisations）；每当它们恰好选择了相同的一个时，与该极化相关联的 0 或 1 可以用作加密密钥中的比特。
海森堡的不确定性原理对系统的安全性做出了贡献，这是一个备受吹捧的量子规则，在这种情况下，截取和测量给定的光子迫使它进入给定的极化，从而保证窃听者将破坏系统的随机性。对系统的干扰将减少该对设备看到的巧合的数量；如果数量太少（他们应该看到大约一半的时间），则确定有人在线。
物理教科书会告诉你，一个随机生成、只使用一次且足够长的密码，是绝对安全的。但新加坡量子技术中心的 Vlatko Vedral 表示，被邀请试图攻破中心量子通信实验的黑客经常会成功 - 不是通过击败量子规则，而是野蛮地利用设备本身的缺点。例如，存储数字 0 产生的热量与存储 1 所产生的热量略微不同，因此仔细观察产生的热量可以暴露正在接收的数字串。一旦被发现，这样的入侵行为很容易被防止。随着时间的推移，缩小了缺点的范围，并且推动了创新。
由于愈发安全的链接的发展，量子加密（quantum cryptography）最近被更加广泛地部署。ID Quantique 在荷兰电信公司 KPN 的数据中心之间建立了量子连接；美国非盈利研究公司 Battelle；和两个瑞士的私人银行，Hyposwiss 和 Notenstein。并且在日内瓦的金融机构和 50 公里以外的疾病回复中心之间建立了链接。2015 年，日本东芝的研究院将量子加密的基因组数据从仙台的研究机构发送至 7 公里以外的东北大学。
量子技术的未来在于量子网络
但是量子技术的未来在于量子网络——它是连接许多发送器（sender）和接收器（receiver）的基础构件。量子网络正在主要的大都市内部或者之间涌现。韩国政府正在资助一条 250km 的链路以加入现有的城域量子网络。在英国，一条相似长度的量子网络将通过伦敦部署在布里斯托尔和剑桥之间。澳大利亚正在首都堪培拉建立一个封闭的政府管辖网络。
没有比中国在去年年底完成的量子网络更具雄心的项目了。他由中央政府资助，途径济南和合肥连接北京和上海，其中济南已经拥有超过 70 平方公里的由 50 个节点（节点就是连接发送器和接收器的交换机）组成的城域网络，合肥拥有 46 个节点的城域网络。它的客户包括中国工商银行、中国银监会以及新华社。
距离会带来一个问题。随着精心制备具有特定量子态的光子沿着光纤不断反射，这些状态最终会受到干扰，它们承载的信息会有所损失。为了保真和安全，光纤链路不应超过 200km。标准的光纤信号会遭受同样的信号衰减，所以用来加强信号的中继器就以确切的间隔放置在网络的路径上。然而，在量子规则下，未知的量子态是不能被复制的，所以量子数据在进行一次增强的时候需要临时解密，这就造成了一个安全漏洞。
有两种途径来解决这个问题：一个基于陆地，另一个基于空中。基于陆地的方案就是开发中继器的量子模拟物（analogues）。它需要一个能够存储传入信息的量子存储器（quantum memory），以及不会危及量子安全的发送方法。安全传输需要另一种量子特性：隐形传送。这是一种将一个粒子的量子态投影到在远处的另一个粒子上的方式，需要强调的是，被传送的不是粒子本身。去年，两个研究小组展示了在卡尔加里和合肥的两个大城市网络的远程传输的好处。至关重要的是，他们使用与现有电信网络中使用的波长相同的波长进行了实验，以确保新技术可用于现有的光纤基础设施。这个方法达到了期望的结果。
幽灵般的超距作用
另一个重点是在空中，在相似的距离内，不需要实际的光纤连接。量子态以这种方式的传送记录是 2012 年由研究者创造的，那时它们在加那利群岛上的两座距离 143km 的岛屿之间传输一条经过量子加密的信息。一个长期的目标就是将这个思想用在空间：对一个光子来说，空间中由整个地球大气层厚度引起的干扰相当于在地面由几公里空气造成的扰动。
去年八月，中国发射了由华为和联想等科技公司支持的量子密钥分配卫星——墨子。目前其目标是给北京--上海的网络提供到远在 3000km 以外的新疆乌鲁木齐的连接。新加坡、加拿大、日本、意大利以及美国也在努力发展量子通信卫星。一旦通过湍流空气、云层等媒介获取量子信号的挑战被解决，一个全球的量子网络将会很容易实现。
有了国家范围的量子网络以及量子卫星，不难设想出能够为每一条链路提供量子增强安全性的全球「量子互联网」。但是，允许发展这些网络的创新也是有用的，例如在量子计算设备内部或者之间传输信息：试想一下量子分布式计算和量子云计算。「正如互联网已经展示了连接许多标准计算机的力量」，MIT 的理论家 Seth Lloyd 说：「量子互联网有潜力改变人们以及组织之间协作和竞争的方式，这在保护隐私的同时建立了信任」。
然而并不是每个人都确信这一点。国防建设似乎已经被一些早期受挫的量子链路所推迟。量子通信的努力仍在进行中，例如美国陆军和海军在研究武器，但是空军科学顾问委员会的一个分析表明，「量子密钥分配 (QKD) 与传统的方式相比并没有多少优势」。并且怀疑者们确切地指出，加密并不是许多安全链中最薄弱的环节。
然而随着硬件的进步以及巨量投资的持续，量子网络或许开始看起来像一个战略必需品；这样的话，消费应用很可能会激增。为工业界指定全球标准的欧洲电信标准组织（ETSI）正在定义量子加密标准。ETSI 的科学家希望确保来自多个供应商的套件能够一起工作，并创建一个认证以使消费者能够得到一个被广泛认可的安全级别。小型化的努力也在进行中，因此很久之后量子设备可能会适合你的掌上电脑或者手机。
为什么所有人都在关注量子计算机？
科技巨头和新崛起的公司都涌入一个具有巨大潜力的技术
1981 年，理查德·费曼 (Richard Feynman) 在一次演讲中提出，能否将量子力学的奇妙属性用来解决当时的计算机不能解决的物理系统的模拟问题？此后其他人也开始研究这个问题。1985 年，目前任教于牛津大学的大卫·杜斯 (David Deutsch) 展示了如何把量子系统设置为一个「通用」计算机，也就是说，像现在的计算机一样可以运行任何程序 (这就是当时的量子图灵机模型)。尽管这很迷人，但是在那个时候是相当理论化的，因为涉及到的硬件没有人知道如何去组建。
真正使世人正身注意量子计算机的是彼得·秀尔 (Peter Shor) 在 1994 年发表的一篇论文，他当时在贝尔实验室工作。秀尔博士证明了量子计算机可以被用来进行一个很大的数字的质因数分解。这种分解在数学上是极其困难的，这个事实正是至今仍然在使用的加密协议的基础。
从那时候起，研究者提出了很多不同的问题，证明量子计算机应该优于最好的超级计算机，并且提出了很多种能够分解问题的算法和步骤，以便于量子计算机能够通过它们来处理问题。这个明显的用途开启了一个持续多年的仅仅局限于安静的实验室和学术论文的国际竞赛。而今天，大企业都非常感兴趣，包括因特尔 (Intel)、惠普 (Hewlett-Packard)、谷歌 (Google) 以及微软，都有相关的科研项目。去年 IBM 发布了量子计算平台「量子体验 (Quantum Experience)」, 它可以让所有的用户在互联网上玩一个原始的量子计算机。政府也通过直接或者国防合同的形式向学术研究计划中投入资金，而且越来越多的初创公司也在依靠它们自己的在这个领域打拼。
一个足够大的能够解决彼得·秀尔博士当年所设想的事情的计算机也会在当下的许多棘手的问题中大有用处。尽管这只是一个遥远的愿景，但是朝着开发一个这样的计算机的所有努力都会有很大的裨益；一个更加简化、更加具有专用目的的计算机能够用于很多应用中。
一比特一比特的操作
使量子计算机的思想如此吸引人的不是它们比传统的计算机运行得更快——传统计算机在一些应用上可以很快，但是其他得不会很快，而是量子计算机本质上不同的工作机制。三个反直觉的概念在发挥作用。第一个就是叠加。今天的计算机所依靠的比特位都采用两个值，即 0 或者 1。而作为它们的量子模拟，量子比特 (Qubits) 可以被布置在最好能够认为是 0 和 1 的某种混合「状态」中。用这些奇怪的状态来解决计算问题就是让量子比特同时作为 0 和 1，某种感觉上来说，就是在计算的同时就产生了结果。
这种不确定状态的力量通过第二量子力学效应释放了出来，那就是量子纠缠。标准的计算机依靠将一个比特和下一个比特的完全分离来避免计算出错或者文档损坏。对一个量子计算机而言，多个量子比特的纠缠是数量巨大的；在最好的情况下，给定设备的所有量子比特都是相互纠缠的。另外，对一个量子比特的操作是对与之纠缠的所有量子比特的不同程度的操作。所以不能严格地根据其组成部分来描述这么一个机器。需要考虑一个量子比特是如何与相邻的量子比特连接的，以及下一个相邻的量子比特，以此类推，遍及所有相关的量子比特。描述一个 50 位的标准计算机的所有状态需要 50 位的数字存储器，而描述一个 50 量子位的量子计算机则需要一百万亿 (10^15)。
这变得更加奇怪了。尽管很容易想象出一个预测给定事件发生概率的方程，但是在量子力学中预测所谓的概率幅值是更加困难的，它实际上有可能是负的。在量子计算机处理的过程中，这些概率幅值相互干扰 (再一次像波一样)，正的和正的在一起，负的和负的在一起，本质上，这减小了答案出错的概率，增大了答案正确的概率。
开始选择是和一个问题的算法的时候就引发了一个问题。当量子比特的初始状态确定了之后，这个算法实际上就很明显了：这里是 0，那里是 1，那里是 0 和 1 的某种混合。然后计算就仅仅是在这个由叠加的、纠缠的量子比特所组成的系统中演绎量子力学定律了。改变状态、改变量子比特的耦合关系等等，呈现出了所有这些状态和组合一个巨大数量的交叉操作，伴随着概率幅值的增大和减小，直至系统达到一个表征最终答案的稳定状态。所以是一个设置问题和机器，从而达到以光速实现筛选所有可能性的事情。
制备量子比特的工作经常集中于对由超导线组成的微环路的利用，类似于标准计算机中的「门」电路。由电磁场包围的单电荷原子也能用来实现量子比特；二月份，一个国际研究者联合会发表了一个阱离子机 (trapped-ion machin) 的开源蓝图。几个组都在使用单光子作为量子比特——这种方法看起来能够容易地集成现有的半导体制备技术。微软的「拓扑」量子计算机则完全使用了另一种东西：「任意子 (anyons)」，这是一种比其他的量子比特候选粒子更加容易操纵的粒子，但是这种粒子从没有出现在理论物理课本之外。
制备一个光量子不再困难。问题是如何处理它。光量子的状态是非常精细的，需要与实验中的一切实际的东西完全隔离。但是隔离永远不会是完全的，并且会出现错误；对于要取得成功的计算任务，这一点必须受到注意并且被纠正。已经很明确，随着计算机规模的扩大，逻辑光量子 (实际中做计算的那部分) 的数量相比用来进行错误矫正和命令控制的光量子要小很多，大概几千倍。要实现秀尔博士的用以解密的著名算法，大概需要一百万光量子。
要轻是一个工程挑战。但是势头很明晰，量子计算在一步步接近了，与传统计算机相近的名字被越来越多地使用。惠普在努力地建造自己的量子计算机。因特尔在量子技术的投资已经开始实施，包括投在荷兰国家量子计算中心 (he Netherlands』 national quantum-technology hub) 的 5000 万美元。如果微软的拓扑量子方法开始起作用，那将会是更少的出错倾向。量子计算的初创公司也变得越来越活跃。耶鲁大学和马里兰大学的研究人员已经有了自己的公司，而且，在 IBM 和和美国能源部工作的物理学家也创建了他们自己的公司。
政府也在采取行动。澳大利亚已经在悉尼的新南威尔士大学的一个实验室投资了 2 千 6 百万澳元（约合 2000 万美元），澳大利亚联邦银行和电信公司 Telstra 也投入了相同数量的资金。这两家公司的金额大致相同。悉尼大学的一个实验室正在作为 LogiQ 的一部分被资助，LogiQ 是美国政府国防装备的一项先进智能研究计划。泄密的文件显示，美国国家安全局一直在探索「是否可以建立一个对密码学有用的量子计算机」。专家现在认为它可以。但是实现以后呢？
关于模拟的讨论
这个领域几乎没有人认为在十年之内可以实现，并且很多人都认为可能会花费更长的时间。但是大家都一致同意，现在是投资的时间，因为即便是很小的、没有多少能力的机器都会具有产生收益的潜力。初创公司和咨询公司早已开始寻求小型量子计算机与当今量化金融、药物、石油以及天然气发现这些领域中面临的问题的结合点。
或许最有趣的早期应用会以「量子模拟器 (quantum simulators)」的形式出现：即能够模拟实际物理系统的量子计算机。这就是费曼当时的想法，他在演讲中设想「计算机将回和大自然做得完全一样」。量子计算机可能会有助于设计室温下允许电流无损失传输的超导体，或者有助于研究用来组成全球绝大多数化肥的氮化酶反应。
量子模拟在工业界也有狂热爱好者。博世 (Bosch) 公司的 Michael Bolle 预预测，使用模拟器设计出的电池将会取代母爱去年的锂离子技术。Plolo Bianco 是空客 (Airbus) 公司（一家大型欧洲航空航天公司）的量子技术研究团队的负责人，他说，「量子模拟一种新材料，如用于飞机或卫星的更坚硬或更轻的合金，将比先织造出来，再去测试材料本身要更快、更经济」。「量子技术的前景」，他说，「在工程方面的性能提升，不是 20%，而是好几个数量级」。
对于一些应用和某种类型的问题而言那或许是真的。但是 D 波系统 (D-Wave Systems) 的经历证明我们对未来机器能力的所知是如何的少，D 波系统是一家加拿大公司再 2011 年开始出售的首个商用量子计算机。D 波系统让我们知道了一种专用的量子计算机 (与通用机器相对应)——量子模拟退火器，它在优化问题上有很好的效果，例如寻找一个在途中的销售的可能最短路线。这家公司的客户包括该公司的客户包括洛克希德·马丁 (Lockheed Martin) 和一个包括谷歌和 NASA 的联盟。1 月份，一个网络安全公司——时代防御系统 (Temporal Defense Systems) 也买了一个。
软件：程序管理
量子计算之父认为它从根本上是利用自然的一种新方式
「我有时到 Clarendon 实验室的地下室，看看那里所做的实验，感觉这些实验是令人难以置信的。」牛津大学的 David Deutsch 是理论物理学家，作为理论物理学家，他提出的想法常常震惊并混淆他的实验派同事，但是有点可爱的是，他又似乎被他的实验派同事所做的实验震惊和混淆。「去年，我看到他们的离子阱（ion-trap）实验，他们正在一个单一的钙原子上实验，」他说，「以令人难以置信的细微方式操纵、而不仅仅是访问它的想法，我之前从来没有想过，认为这永远不会发生。现在他们把这当做常规实验。」
这种离子阱中被俘获的离子将最终作为强大的量子计算机的内部结构的候选者。这些将作为计算量子理论的最大荣耀，Deutsch 博士在 1985 年发表的论文标志着这个领域的建立。他认为广泛预测的「量子优势」最终使量子计算不可避免地超越古典计算，这将对科学家和外行人都具有到重要意义。他对于有关商用 D-波计算机是否具有速度优势的激烈争论发表了看法。「如果它可行，它的工作原理与经典方法有完全不同的方式。它是利用大自然的一个根本的新方式。对我来说，它有多快是第二位的。」
尽管如此，这些都是迈向一个功能强大的通用量子计算机的必经之路，可以解决许多棘手的问题。为了适当地描述这样的装置不仅考虑其每个成分比特（constituent bit）的状态，而且还考虑它们之间的所有耦合，因为每个相互缠绕。一个适当大小的量子计算机所维护和操纵的状态的数量将大于已知宇宙中的原子数。因此，Deutsch 博士长期以来一直认为，量子计算机将作为宇宙超越人类认知的证明：「许多世界的解释」。这个有争议的假说表明，每一个事件可以有多个量子结果，所有的事件都会发生，每个事件在自己独立的世界中「实现」。
与此同时，量子计算和量子力学理论（从开始）都归入了一个与 Deutsch 博士正在研究的课题一样的新想法。他认为，他提出的「构造函数理论（constructor theory）」提供了一个视角，将导致物理学界的完全重写。与经典计算机科学、量子计算甚至遗传学一样，它是基于信息的作用。但是，不是让物理定律定义什么是可能的和不可能的，正如科学现在所做的那样，构造函数理论断言这些定律实际上源于什么是可能的和不可能的。
根据观察到的可能性，可以被称为构造函数（constructor）的数学对象是时髦的。使用这些构造函数进行操作产生了 Deutsch 博士认为的一个比量子力学更为根本的理论。他热衷于研究理论推翻基础科学的可能性，但他也承认，用实验测试仍然非常困难。不过放在几十年前，他还是会说关于量子计算机的同样的事情。
多年来，专家们质疑设备是否能够真正利用量子力学以及它们是否比传统计算机工作得更好。这些问题后来被确定地回答——是的，有时是这样——但只是通过直接的彻底测试机器性能。当前最好的超级计算机能够仅模拟具有约 50 个量子比特的通用量子计算机的性能。毫无疑问，很难说出更强大的机器不擅长解决的问题。
谷歌的目标是使用自己的机器，大多数群体正在研究一个被称为门模型（gate-model）的量子计算机，它能实现「量子至上」，其中一个量子计算机比任何已知的计算机的计算能力更快。谷歌研究人员制定了一个雄心勃勃的计划，可能让他们今年实现这个壮举。D-波计算机已暗示这样做的方法，但它在过去也有类似的主张；它们当前的数字仍然需要检查。
无论何时何地、任何人都能实现这一目标，它将发起一个提供量子增强解决方案和服务的小型机器时代。IBM 的量子实验（IBM's Quantum Experience）是第一个可公开访问的量子计算机，它可能表明机器的未来将依赖于计算云。那么大多数用户的家中将不再需要一台超级计算机。
但有些人这样做了。1982 年，在费曼（Feynman）进行量子计算演讲一年后，他在洛杉矶国家实验室的超级计算机设备上工作，在那里制造了第一个原子弹。费曼说：「你知道，年轻人，有一天，所有这些都将被量子计算机所取代。」如今，这已经初步实现。
量子计算机代码可以创造奇迹——但也可以解开秘密
「如果没有人知道如何编程，那么建立一台量子计算机将没有任何用处，」华盛顿白宫科学和技术政策办公室的 Tim Polk 说。虽然学术界已经在建立量子计算机硬件上持续努力了二十年，但是开发运行机器所需的软件却相对较少。
这是不断变化的，因为在过去的几年中，我们清楚地看到这些机器正变得越来越可接近。目前正在进行的有两项并行的努力。一种是创建通常所理解的软件——图形界面、编程语言等，作为某种意义上的「量子窗口」；另一种是开发新的算法，逐步的指令将问题分解成适合于量子计算的离散部分。
在这两个阵营以及大型科技公司和创业公司中，创新都很丰富。一些大公司正在解决这个问题的两端，日益增长的量子友好的咨询公司已经形成服务生态链，它们向公司提供关于量子计算应用场景的建议。
量子计算机的「机器」语言实际上在告诉计算机做什么，这是相当好理解的。它与标准计算的逻辑门（logic gate）没有太大的不同，除了它允许量子比特的「叠加」，其中它们可以同时为 0 和 1。但是如何编写计算机代码来与这样的机器交互，或者模拟它能做什么呢？如今，选择范围正在增长，包括开源软件包，如 QuTip（由亚洲的一些研究组织投资）。3 月 6 日，IBM 发布了第一个（通用类）量子计算机商用程序。各种创业公司已经发布了自己的量子软件。
最有野心的量子软件来自微软——LIQUi|>（其名称是量子力学中的一个符号）。它旨在解决整个「软件栈」，从用户界面到代码编译器，最终到适合于 Microsoft 的计划硬件和其它计算机硬件的机器语言。
领导微软量子软件团队的 Krysta Svore 表示，该团队还致力于减少量子计算所需的量子比特和运算的总数，称为「系统开销（overhead）」，并使标准计算机更好地模拟量子计算（该小组最近聘请了该领域的世界专家 Matthias Troyer）。该团队对 32 量子比特计算机的全面模拟需要 32GB 的内存，超过了普通桌面可以调集的内存，但仍然可操作。
Svore 博士及其同事也在估计需要多少量子比特和时间能够解决具体问题。她说，这些数字「急剧下降」，这归功于最近的改进，使量子保持更严格的控制。例如，她认为，对能源密集型氮化酶反应以制造化肥进行彻底分析将需要一个 100 逻辑量子比特的计算机许多小时或许多天，而传统的超级计算机将需要数十亿年。如果成果得到运用，可能使全球天然气消费量下降 1-2％。
但是，最大限度地利用量子计算机的关键是这些各种软件包实现的算法。包括由 Peter Shor 介绍的量子计算机如何破解全球加密系统，它们中的第一个通过锚定最棘手的问题在最大的概念机器上测试了该理论思想。
甚至是深度学习方面
麻省理工学院的 Aram Harrow 说，如今的研究重点已经转向可供较小的机器利用的算法，因为这种类型的硬件会在不久的将来被广泛使用。「我们仍然对可以用一百万或十亿个量子比特做什么感兴趣，但我们同样感兴趣于 100 个量子比特的用途，」他说。
看起来有很多选择。其中最有前途的一个是在机器学习和深度学习中。相关应用包括通过搜索大量数据来发现模式，比如图像识别、网络安全或者——简单点说就是——为潜在消费者推荐心仪产品的推荐引擎。但也有从处理数字到模仿原子的其它各式算法。
所有这些量子解决方案都需要一些编排它们的方法。Stephen Jordan 领导着位于马里兰州的美国国家标准与技术研究所的量子算法集（Quantum Algorithm Zoo）项目，该项目全面收集了当下的已知算法。他设计了一个有着 59 个数学门类的分类系统，每个数学门类适应于特定类型的问题或是能够以某种特定的量子方式去解决问题。
许多这样的算法，当运行在现有的专用机或作为模拟机运行于标准机之上时，并没有打败与其对应的「经典算法」。新加坡国立大学量子技术中心的 Vlatko Vedral 强调说，传统技术已经相当成熟，特别是固氮反应等致力于解决量子化学问题的技术。麻烦的是，目前还不存在一种强大的通用型量子计算机，所以没人知道运行其上的某个给定算法是否能够击败相对应的经典算法。同时，适合于量子计算的超高效算法仍然有待发现。
这 59 种算法和用于终极机器的迄今为止最好的模拟机是规划量子计算未来的一个良好开端，且没有比金融业对此更感兴趣的行业了。澳大利亚联邦银行早就动身了，它与新南威尔士大学的 Michelle Simmons 所领导的一个研究小组展开了密切的合作。D-Wave 已与初创公司 1Qbit 共同发展了一个叫「Quantum for Quants」的定量金融产业论坛。其编辑团队包括德意志银行的全球股市部门主管 Michael Sotiropoulos。瑞士一家大型银行 UBS 正与另一初创公司 QxBranch 合作，致力于量子算法在外汇交易和套利方面的应用。UBS 金融科技创新与战略投资部门主管 Hyder Jaffrey 说他把量子计算、人工智能和区块链都归类为「所有可能改变市场的东西」。
银行业务方面
QxBranch 和 1QBit 这样的公司扮演着量子专家与行业之间的一个中间人角色，它们负责调查如何以及是否能够通过量子方法来改进公司业务，例如优化交易策略或供应链、监控网络活动以发现网络攻击等。1Qbit 的联合创始人 Landon Downs 说这会产生一些可投入使用的解决方案。他说：「通过监控量子计算机上的算法制定过程，你往往会发现经典算法有了很好的改进.」。「这就是我们取得成功的源泉。」
其中最被看好的一点来自于量子计算硬件的出现，有太多这种硬件有赖于在标准机上准确模拟出该硬件的最佳效果。QxBranch 的首席执行官 Michael Brett 如此形容这个想法：「如果真机在某个星期二的早晨出现了，我们就立即把模拟机换掉。」
尽管所有这些计算机科学家和顾问都在为了量子计算的发展而专注于软件部分，但也有少数人致力于开发软件来对抗它。毕竟，使研究人员选择前者的是人类全球加密标准在面对量子计算时可能发生崩溃的恐惧。这仍然威胁着未来，而且如果当下所提出的加密通信被未来强大的量子计算机所分析，那么它对现今世界也存有危险。这是后量子（post-quantum）密码学中的想法，该学科致力于创建出即使是未来的量子计算机也无法破解的密码。
PQCRYPTO 是一个受欧盟资助的为期三年的项目，专注于开发后量子加密。其目标不是找到某种数学意义上最粗糙的方法来进行数据加密，而是要发现一种无需太多内存或计算步骤且很难被完全打破的方法。RSA 是当前的一个全球标准，它可以被设计得很坚固，但是其加密密钥必须有一个 TB 的长度——太不切实际了。椭圆曲线加密（elliptic-curve cryptography）密钥是当前的另一个标准，只有 32 字节长；任何后量子解决方案都需要以类似的长度为标准来保证安全性。
该项目主管 Tanja Lange 说，后量子方向目前吸引了很多的关注，尤其是焦虑的硅谷方面。美国国家安全局于 2015 年表示将更新其所有的加密技术，使它们无法被量子计算破解。去年，谷歌悄然在其 Chrome 浏览器中运行了自己的后量子加密测试。一些用户的通信过程受到了椭圆曲线加密和 New Hope 的双重保护，后者是作为 PQCRYPTO 的一部分而拟定的后量子协议。结果添加进这些通信过程里的中位数延迟仅有一毫秒。
「强大的量子计算正在重现计算机所无法解决的所有问题，而且它有着自己的解决途径，」IBM 科学与解决方案副总裁 Dario Gil 说。「这是我们对计算机的再定位。」但是，如果这样一台设备有能力解开几十年前的保密协议，那么它也能创造出新难题。
广告时间：量子技术的应用
一个量子增强型世界最令人兴奋的一点就是它所承诺带来的事物
当第一个原子钟被建造出来并进行了迅速的商业化，没有人使用「量子技术」这个术语。这种时钟只是利用了量子力学的力量以改善结果。当时还没有其它例子来说明如何将量子力学的一些奇特预测投入到实际应用中，比如量子纠缠（entanglement）和叠加（superposition）。它们大多令基础科学在最小的尺度上产生了一个更加微妙的世界观。
量子的这些奇特行为确实逃出了世界各地的实验室并被转化为相关应用，比如超导量子干涉器，它是一个相当敏感的磁场传感器。美国汽车制造商的蓝天（blue-skies）研究中心——福特研究实验室于 1964 年研发了第一个超导量子干涉器。现在，它们被广泛应用在 MRI 机等设备中。早在上世纪 80 年代 IBM 研究人员就应用量子隧道效应——势垒贯穿——以超高的分辨率来观察微观世界。
当前的量子技术研究规模已经非常庞大，有多个研究成果受到了国家政府和国际机构的资助，有时是出于战略原因。Freeke Heijman 带领团队建立了荷兰的量子技术研究院 QuTech。「如果我们连年投入所有的钱，而最后得在美国或中国把它们赚回来，在这种情况下我们是不会冒险的，」她说。在防御应用方面，她认为安全性也同样重要：「如果你不得不通过现货供应来购买，那么这不仅是经济上的劣势，而且非常危险。」
但量子技术不会像 GPS 那样普及，GPS 是受到了政府的大量暗中资助并被移交给公共市场。前英国国防科学与技术实验室人员 Neil Stansfield 说：「现在的情况就不一样了，我们不会得到政府部门的垂青，更别说全世界了。」
这使得企业步入了突破口。E2v 是一家英国公司，目前在量子器件方面从事着开创性的工作，其探测器将来自哈勃太空望远镜的图片传至地球，其首席技术官 Trevor Cross 说很多行业仍然认为量子技术是高风险的。这可能是因为许多方法在技术上已远远超出目前的科技水平。英国技术战略局 Innovate UK 的一位新兴技术专家 Richard Murray 说，技术发展越具有变革性，我们就越容易错失机会。
材料方面的证据
由于这些技术在组件的层面上紧密相连，所以存在很多机会。例如其中许多技术都取决于一次吐出一个光子的光源以及能够连续捕捉一个光子的探测器——这已经很了不起了，考虑到一个 60 瓦的灯泡每秒就会发射出 100,000,000,000,000,000,000 个左右的光子。这种工具在十年前还是难以想象的。
还需要新材料以及经过精确设计的现有版本。De Beers 的子公司 Element Six 是钻石行业的巨头，它塑造了一个销售定制「氮空位」（裂痕可以将钻石变成传感器）的商机。碳化硅被认为像钻石一样是量子可控的，但专家们迄今为止对它的研究还很少。
随着材料研究的火热，新联盟将被建立。英特尔致力于打造量子比特芯片，从而利用上现有的制造设施。但这就要求材料具有较高的纯度。为此，英特尔已与两家材料公司 Urenco 和 Air Liquid 展开了合作。
跨国工程公司 Bosch 的 Michael Bolle 设想了无缝结合所有这些在自动驾驶或物联网等应用中所使用的不同方法：收集敏感读数的量子传感器、进行安全传输的量子加密以及从产生出的大量数据流中进行数据挖掘的量子计算。
许多从业者认为，该报告中所概述的应用和技术只是一个开始。随着人们对量子计算越发熟悉，他们将创造出新应用和全新的硬件。过去仅仅作为物理脚注的事物将掌控一切，而工程师（甚至消费者）将不得不学说量子语言。
信息技术与创新基金会（美国某个智囊团）人员 Stephen Ezell 说：然而一些创新者的行动可能会受阻碍。「问题是这些技术的出口控制在多大程度上会成为一个问题，特别是在它有一些防御潜力的情况下；高科技公司如英特尔和 IBM 等已经在向中国等国家出口部件和计算机的问题上遇到了麻烦。
撇开这些挑战不谈，努力工作最令人兴奋的一点我们清楚地知道事情的进展。IBM 微电子研究实验室经理 Bob Wisnieff 说，「我们距离建造一台能够实现人类所无法准确预测的事情的量子计算机并不遥远。」加州理工大学量子专家 John Preskill（他创造了「量子至上（quantum supremacy）」这个词）说：「一台量子计算机可以有效地模拟任何自然发生的物理过程。也许吧。其实我们也不太了解。」
这使得量子技术的潜力成为一个闭环，从其诞生之处到基础科学都进行了全盘的考量。量子计算机和模拟器最终应该能够解决一些最基础也是最令人生畏的科学问题。最终，拥有超高精度的传感器或许可以检验物理学家们提出的最抽象预测，也许它会连接起量子力学和引力理论。
「我们当然希望可以用量子方法实现很多额外的、超越认知的东西，」白宫科学与技术政策办公室人员 Tim Polk 说。「就像一开始我们对晶体管带来的革命性影响一无所知，我想这种情况也适用于量子。」
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