量子計(jì)算機(jī)今天刷屏了——中國研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了對玻色采樣問題的快速求解，其計(jì)算速度比目前最快的超級計(jì)算機(jī)快一百萬億倍！

不過，大部分朋友看完都只能留下一句話：“每個(gè)字我都認(rèn)識但……”別擔(dān)心，AI準(zhǔn)備了一份小白友好的說明書。什么是量子計(jì)算機(jī)？量子計(jì)算機(jī)為什么厲害？量子霸權(quán)又是什么？你都能在這里找到看得懂的答案。

量子計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)嗎？

是，但和我們現(xiàn)在所理解的“電腦”差別很大—— 兩者的計(jì)算形式不一樣，電腦通過電路的開和關(guān)進(jìn)行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)則是以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式。

我們?nèi)粘Ｓ玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字， 這些信息在硬件電路里都會轉(zhuǎn)換成1和0（在電路中則表達(dá)為“開”和“關(guān)”），再進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲。正是因?yàn)檫@種0和1的“計(jì)算”過程，電腦才被稱為“計(jì)算機(jī)”。

量子計(jì)算機(jī)則以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式。目前的量子計(jì)算機(jī)使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，不同類型的量子計(jì)算機(jī)使用的是不同的粒子，這次的“九章”使用的是光子。

為什么量子計(jì)算機(jī)可以“超快”？

傳統(tǒng)的數(shù)字電路只有0或1兩種選擇， 量子計(jì)算機(jī)使用的粒子則能夠同時(shí)處于多種狀態(tài)。

以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態(tài)，這種偏振態(tài)可以表示除了0與1之外的多組信息，量子計(jì)算機(jī)因而能夠同時(shí)承載更多內(nèi)容。

普通的計(jì)算機(jī)單元一次只能處理一個(gè)數(shù)據(jù)，稱之為1個(gè)比特；量子計(jì)算機(jī)則可以一次處理1個(gè)“量子比特”，這不僅是0和1的狀態(tài)，而是一種疊加態(tài)，可以簡單認(rèn)為這是 包含了多個(gè)數(shù)據(jù)，從而使處理速度大大提升。

自然光在各個(gè)方向上振動(dòng)（如2），通過“偏振片”（如3）的過濾后，僅留下特定方向振動(dòng)的“偏振光”（如4）|WikimediaCommons

超級計(jì)算機(jī)也以處理速度快而著稱，但它與量子計(jì)算機(jī)不一樣。超級計(jì)算機(jī)本質(zhì)上還是以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)二進(jìn)制（0與1）為基礎(chǔ)的，運(yùn)算速度依然受限于電路的性能，而量子計(jì)算機(jī)完全屬于另一個(gè)體系。

量子計(jì)算機(jī)擅長解決什么問題？

正如上面所說的，量子計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)就是計(jì)算速度快，太快了。

舉個(gè)例子，小學(xué)的時(shí)候都學(xué)過 質(zhì)因數(shù)分解，例如6可以分解為2和3兩個(gè)質(zhì)數(shù)；但如果數(shù)字很大，質(zhì)因數(shù)分解就是一個(gè)很難的數(shù)學(xué)問題。

1994年，為了分解一個(gè)129位的大數(shù)，科學(xué)家同時(shí)動(dòng)用了1600臺高端計(jì)算機(jī)，花了8個(gè)月的時(shí)間才分解成功； 但量子計(jì)算機(jī)理論上只需1秒鐘就可以破解。

大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解是許多安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于此的加密算法——例如RSA算法，則可能會 因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的研制成功而被攻破。

量子計(jì)算機(jī)需要安裝系統(tǒng)嗎？

量子計(jì)算機(jī)本身就是一套“系統(tǒng)”，獨(dú)立的光學(xué)組件提供了硬件， 復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)則決定了它的“算法”。

例如，以光子作為量子比特的量子計(jì)算機(jī)，需要能夠產(chǎn)生光子的單光子源，能夠改變光子狀態(tài)、完成“算法”的特定光路結(jié)構(gòu)，還需要單光子探測器對光子的最終狀態(tài)進(jìn)行觀測。

光量子計(jì)算機(jī)原型圖|墨子沙龍

不過，對于量子計(jì)算機(jī)的控制，仍然 需要通過普通電腦進(jìn)行信息的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在普通電腦上輸入初始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，最后得到的結(jié)果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過程|參考文獻(xiàn)［3］

什么是量子霸權(quán)？

只要在某些特定的問題上，量子計(jì)算機(jī)的能力超越了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這就叫做“量子霸權(quán)”。

雖然聽起來很有震懾力，但“量子霸權(quán)”其實(shí)只是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)階段，還沒有達(dá)到最理想的狀態(tài)。

目前，世界上的量子計(jì)算機(jī)研究大多是 針對用某個(gè)特定的問題。例如我國這次研發(fā)出來的“九章”，就是專門用以解決玻色采樣問題，這是常用來測試量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性的熱門問題。

量子計(jì)算機(jī)的理想狀態(tài)則是通用量子計(jì)算機(jī)。這樣的量子計(jì)算機(jī)將被用來解決任何可解的問題，在很多領(lǐng)域會得到廣泛應(yīng)用。

然而，目前量子比特?cái)?shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，糾錯(cuò)容錯(cuò)技術(shù)也不夠完善，大大限制了計(jì)算能力。

通用量子計(jì)算機(jī)是未來的研究方向|墨子沙龍

量子計(jì)算機(jī)最主要的優(yōu)勢，是可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)處理。目前，更多的應(yīng)用仍然是對于特定難題的計(jì)算，而想在普通的使用中發(fā)揮它的優(yōu)勢，或許還有待漫長的探索。

參考文獻(xiàn)

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［4］公眾號：墨子沙龍，經(jīng)典和量子的算力之爭：中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑

［5］魏世杰，王濤，阮東，龍桂魯。量子算法的一些進(jìn)展［J］。中國科學(xué)：信息科學(xué)，2017，47（10）：1277-1299.
責(zé)編AJX