被谷歌和NASA联手宣布“快出一亿倍”的计算机是怎样诞生、如何运行的？
量子计算机有望推动人工智能等多个领域的飞跃性发展，为何却会遭到质疑？
追求“量子霸权”的角逐当中，是谁迈出了领跑的第一步，谁又能从哪些方面弯道超车？
加拿大D-Wave公司研发的量子计算机虽然从问世之初便饱受质疑，但仍旧赢得了洛克希德·马丁公司、谷歌及NASA等客户，并在全球范围内引发了量子计算机研发的更大热潮。D-Wave量子计算机虽然诞生在北美，但其采用的量子退火理论和基本技术都是由日本科学家率先提出的。
西森秀稔教授正是量子退火理论的提出者之一，他与本书另一位作者大关真之副教授一直在量子计算领域的第一线从事研究，他们用尽可能简单而精准的语言，为普通读者拨开纷繁的迷雾，介绍关于量子计算机最核心的真实信息。

量子计算机与人工智能的新时代
第1章 “快1亿倍”的计算机
谷歌与美国国家航空航天局的新闻发布会
用量子计算机解决组合优化问题
量子计算机可用于人工智能等多个领域
是实验设备，不是计算机
什么是量子退火
来自加拿大创业公司的挑战
给量子比特施加横向磁场
通过量子隧穿效应找到答案
第2章 量子退火机的诞生
D-Wave公司
费曼的构想
用超导实现量子比特
商用量子计算机的研发
量子人工智能实验室的诞生
奇美拉图瓶颈
北美的研究盛况和今后趋势
第3章 最优化问题的解法和人工智能领域的应用
如何解决流动推销员问题
什么是退火
穿过能量之山
求解四色问题
机器学习与深度学习
通过量子退火进行聚类分析
用D-Wave量子计算机进行采样
第4章 量子计算机创造的未来
聚集在北美的研究者们
低电力消耗有助于解决环境问题
推动人工智能领域的发展
医疗、体育等领域的应用前景
也可用于法律和考古学领域
传感器打造更人性化的人工智能
奇点会到来吗
第5章 不可思议的量子世界
什么是量子力学
叠加的悖论
不确定性原理
量子噬穿效应
图灵机与量子线路
日本研发的量子比特
多种多样的量子计算机
第6章 量子领域将来的发展趋势
基础研究绽放出意外之花
既要严谨也要胆大
跨领域的创新精神
软件方面仍有待开发
超越摩尔定律
意识转变创造全新社会
日本会有领先世界的一天吗
后记
出版后记

量子计算机与人工智能的新时代
不知道翻开本书的各位是对量子计算机感兴趣？还是对人
工智能感兴趣？还是对两者都感兴趣呢？
量子计算机一词从20世纪90年代前后开始走进公众视野。
量子计算机因为运算速度远超经典计算机而备受期待，但一般
认为要实现其普遍应用仍需数十年时间。而另一方面，近年来
人工智能迅速发展，在日本象棋和围棋领域击败人类冠军，并
逐渐被应用到诸多领域。
或许有人会问：量子计算机和人工智能到底有什么关系？
实际上，曾被认为遥遥无期的量子计算机已经突然问世，而且
开始了商业化销售，在过去完全不相干的人工智能领域的应用
也将取得进一步发展。
这种商用量子计算机采用了与之前全然不同的研究方向—
量子退火的方式。尽管量子退火计算机目前还不具备像经典计
算机一样的通用性，但它可以应用到人工智能及物流、金融等
众多领域。这种商用量子计算机是加拿大的一家创业公司率先
开发出来的。此外，谷歌和美国政府也投入了巨额资金用于同
类量子退火计算机的研发，在北美掀起热潮。
本书尽量采用通俗易懂的语言，简要介绍新模式量子计算
机如何运转、能够进行何种运算以及如何应用到人工智能的研
发领域，使没有专业知识的读者也能理解其原理。此外，量子
退火虽然在北美引起了巨大反响，但提出该原理并从事基础研
究的其实却是日本学者。因此，本书也将介绍日本学者所做的
贡献以及他们今后应如何活跃于国际舞台等内容。
以下为本书的大致框架。
第1章从谷歌和美国国家航空航天局就新式量子计算机举
办记者发布会，宣布其运算速度比经典计算机“快1亿倍”谈
起，从整体上简要介绍量子计算机如何运算、如何在社会上发
挥作用及其研发过程。
第2章介绍研发量子计算机的加拿大创业公司。主要介绍
该公司理论物理专业出身的创始人是如何创新的，以及进一步
提高量子计算机性能必须解决的若干课题。
第3章介绍量子计算机的运算原理及其在人工智能研发领
域的应用过程。量子计算机使用量子比特作为量子信息单位，
能够高效处理组合优化问题，而对经典计算机而言，这类问题
是非常耗时的。机器学习是实现人工智能的基础技术，本章还
将介绍量子计算机如何在机器学习，尤其是备受关注的深度学
习中发挥作用。
第4章展望了量子退火计算机的实际应用将给社会带来的
变化。目前，量子退火计算机已经在若干领域投入应用。本章
在介绍其应用现状之后，还将探讨量子退火计算机在人工智能
领域的应用可能会给社会带来的巨大变化。
为了方便读者更好地理解量子计算机，第5章将回顾量子
力学的基础知识及其基础技术的研发历程。量子力学的世界常
常有悖于我们日常生活中的常识，例如物质具有波粒二象性，
可以实现0和1同时叠加的状态等。
第6章将深入分析量子退火计算机从基础研究到实际应用
的飞跃，同时反思日本未来的发展方向。
无论是量子计算机，还是人工智能，相信多数人对它们的
印象都是晦涩难懂。不过阅读本书你会发现，这二者的交叉带
来了广阔的尚待开发的领域。希望大家能够迈出第一步，把本
书看完

本书尽量采用通俗易懂的语言，简要介绍新模式量子计算机如何运转、能够进行何种运算以及如何应用到人工智能的研发领域，使没有专业知识的读者也能理解其原理。此外，量子退火虽然在北美引起了巨大反响，但提出该原理并从事基础研究的其实却是日本学者。因此，本书也将介绍日本学者所做的贡献以及他们今后应如何活跃于国际舞台等内容。无论是量子计算机，还是人工智能，相信多数人对它们的印象都是晦涩难懂。不过阅读本书你会发现，这二者的交叉带来了广阔的尚待开发的领域。

量子计算机能对解决众多组合优化问题以及推动人工智能
发展发挥重要作用，被认为是当今最有前景的前沿技术之一。
然而，对于绝大多数普通人来说，量子计算机乃至量子的概念
都还比较陌生。甚至，还有人时不时推出“量子鉴宝”“量子
整形”“量子波动速读”等莫名其妙又令人啼笑皆非的说法。
确实，我们很少有机会在新技术发展之初就能把脉络梳理
清楚。从这个角度来看，本书的出版可以说是十分必要而且及
时的。两位作者都活跃在量子计算领域的第一线，他们以尽可
能贴近普通读者的语言简明扼要地介绍了量子计算机的工作原
理，量子计算机对于人工智能尤其是深度学习的重要意义，以
及加拿大、美国和日本等国在该领域的最新动向及今后的发展
趋势。
作者在后记中坦言，在不使用公式的情况下介绍量子力
学，就像让一个人束缚住手脚去参加赛跑。不过作为量子计算
领域的理论先驱，本书作者之一西森秀稔先生仍旧多次在各种
媒体上为普通读者科普量子力学的相关知识，尤其是他参加的
NHK科普节目“Science Zero”更是创下该节目的收视率新
高！
正像他在书中说的，“量子”这个词能让人们感受到无限
的魅力，甚至是魔力。那么就让我们带上对前沿科技的好奇和
期待，将本书作为最初的台阶或向导，进一步了解知识的进化
并获得新的视角吧。
服务热线：133-6631-2326188-1142-1266
读者信箱：reader@hinabook.com
后浪出版公司
2020年4月

自然是量子的，所以如果我们想要模拟它，我们就需
要一台量子计算机。
——理查德·费曼诺贝尔物理学奖得主、量子计算机
思想的提出者
量子计算机的技术实现问题已不是一个遥远的梦想，
它已经到了基本的实验实现阶段，在国际上已经引起研究
的热潮。我们期待着年轻学子能够加入到这场信息技术的
革命中来！
——郭光灿中国科学院院士、中国科学技术大学教授

谷歌与美国国家航空航天局的新闻发布会
2015年12月8日，位于美国硅谷的美国国家航空航天局艾姆斯研究中心召开了一场具有历史意义的新闻发布会。参加发布会的除美国国家航空航天局外，还有美国高校空间研究协会（USRA)和谷歌公司。在过去两年里，他们使用加拿大D-Wave系统公司（以下简称“D-Wave公司”）的量子计算机进行了性能测试，并在此次发布会上公布了其测试结果：
“D-Wave量子计算机的运行速度比经典计算机快1亿倍。”这一惊人成果不但被专业媒体报道，也见诸《华盛顿邮报》等综合性报纸。
“快1亿倍”是什么概念?简单来说，就是经典计算机需要耗费1亿秒的工作，量子计算机仅需1秒就能完成。1亿秒相当于3年2个月。实际上，计算机的运算速度会因问题不同而异，并不能如此简单化地理解，但大致就是这个意思。也就是说，某些情况下，过去需要耗费大量时间和成本进行的运算，量子计算机瞬间就能完成。这种计算机的问世无疑会引发人们的惊叹。
量子计算机的构想和研发始于20世纪80年代。当时人们认为，至少要到21世纪后半叶，量子计算机才能问世。然而就在几年前，D-Wave公司却开始销售商用量子计算机，而且其性能已经得到了美国国家航空航天局和谷歌的验证。
正如大家所知，计算机使用0和1这两个数字信号来处理信息。0和1可以分别用高电平和低电平来表示。在中央处理器中，由晶体管组成的逻辑门针对代表0和1的信号输入返回相应的信号，从而实现运算（参见第111页）。0和1称为“比特”。
量子计算机则是利用量子力学原理，使用处于0和1叠加态的量子比特来进行运算。所谓0和1的叠加态是指既是0又是1的状态。尽管这种状态不符合我们的直觉，但在量子力学的世界里，我们的常识是行不通的。
在过去，使用量子比特进行运算只是指将操控量子比特的逻辑门组合起来进行运算。也可以说，只是运用量子力学原理，来扩展经典计算机的运算方法。但经典计算机的性能已经逐渐达到极限，因此人们开始寄希望于高性能量子计算机的研发。
由于制造技术方面的困难，人们一般认为量子计算机还需数十年时间才能问世。不过现在，已经有一家加拿大厂商研发出全新模式的量子计算机，并实现了商用化。
过去人们一直研发的量子计算机采用的是量子门（量子线路）方式，而最近几年突然实现商用化的量子计算机采用的是量子退火方式。量子退火的运算方法与量子门截然不同因此从刚刚获知其实现商用化的新闻直至最近的报道当中，媒体和对此感兴趣的普通读者无不好奇—量子退火到底是什么。
本书作者之一西森秀稔是量子退火理论的提出者。虽然迄今为止，我已经在各种媒体介绍过支撑新型量子计算机的量子退火的原理和意义，但对于非专业人士来说，这些内容确实很难理解。因此，为了让没有专业知识的人也能理解，为了用最通俗易懂的方式向普通人介绍，我特意写了本书。
量子退火计算机之所以受到关注，很大程度上是由于人们对其在人工智能领域的应用满怀期待。人工智能的实现及相关的研发工作会给未来的社会带来巨大影响，新型计算机具有充分潜力提高人工智能的性能，并大幅加速其应用进程。
7-11