一文講解量子計算機的基礎(chǔ)知識、應(yīng)用和意義

量子計算機今天刷屏了——中國研究團隊構(gòu)建的量子計算機“九章”，實現(xiàn)了對玻色采樣問題的快速求解，其計算速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍！

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

量子計算機是計算機嗎？

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

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（在電路中則表達為“開”和“關(guān)”），再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱為“計算機”。

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

為什么量子計算機可以“超快”？

傳統(tǒng)的數(shù)字電路只有0或1兩種選擇， 量子計算機使用的粒子則能夠同時處于多種狀態(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，量子計算機因而能夠同時承載更多內(nèi)容。

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

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

超級計算機也以處理速度快而著稱，但它與量子計算機不一樣。超級計算機本質(zhì)上還是以傳統(tǒng)計算機二進制（0與1）為基礎(chǔ)的，運算速度依然受限于電路的性能，而量子計算機完全屬于另一個體系。

量子計算機擅長解決什么問題？

正如上面所說的，量子計算機最大的特點就是計算速度快，太快了。

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

1994年，為了分解一個129位的大數(shù)，科學(xué)家同時動用了1600臺高端計算機，花了8個月的時間才分解成功； 但量子計算機理論上只需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 因為量子計算機的研制成功而被攻破。

量子計算機需要安裝系統(tǒng)嗎？

量子計算機本身就是一套“系統(tǒng)”，獨立的光學(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算機，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)進行觀測。

光量子計算機原型圖|墨子沙龍

不過，對于量子計算機的控制，仍然 需要通過普通電腦進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)在量子計算機控制系統(tǒng)中進行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運算，最后得到的結(jié)果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。

量子計算機的實際操作過程|參考文獻［3］

什么是量子霸權(quán)？

只要在某些特定的問題上，量子計算機的能力超越了任何經(jīng)典計算機，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)”其實只是量子計算機發(fā)展的一個階段，還沒有達到最理想的狀態(tài)。

目前，世界上的量子計算機研究大多是 針對用某個特定的問題。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算機優(yōu)越性的熱門問題。

量子計算機的理想狀態(tài)則是通用量子計算機。這樣的量子計算機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，目前量子比特數(shù)還遠遠不夠，糾錯容錯技術(shù)也不夠完善，大大限制了計算能力。

通用量子計算機是未來的研究方向|墨子沙龍

量子計算機最主要的優(yōu)勢，是可以對數(shù)據(jù)進行同時處理。目前，更多的應(yīng)用仍然是對于特定難題的計算，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

［1］陳明城。實驗光學(xué)量子計算［D］。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.

［2］方糧，劉汝霖，湯振森，隋兵才，池雅慶。量子計算機：量子算法與物理實現(xiàn)［J］。計算機工程與科學(xué)，2012，34（08）：32-43.

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

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