原創(chuàng) Owl，小圓 果殼

量子計(jì)算機(jī)最近刷屏了——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(duì)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(jí)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(shí)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(huì)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(chǔ)。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)”。

世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算設(shè)備：阿塔納索夫-貝瑞計(jì)算機(jī) | Wikimedia Commons

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(jiǎn)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）| Wikimedia Commons

超級(jí)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(jí)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(zhǎng)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(tái)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(huì)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(cè)器對(duì)光子的最終狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。

光量子計(jì)算機(jī)原型圖 | 墨子沙龍

不過，對(duì)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(huì)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(duì)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(cè)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(huì)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(shì)，是可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)處理。目前，更多的應(yīng)用仍然是對(duì)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(shì)，或許還有待漫長(zhǎng)的探索。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳明城. 實(shí)驗(yàn)光學(xué)量子計(jì)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(jì)算機(jī):量子算法與物理實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2012,34(08):32-43.

[3] 郭光燦,陳以鵬,王琴.量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展[J/OL].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020(05):1-8[2020-12-04].https://doi.org/10.14132/j.cnki.1673-5439.2020.05.002.

[4] 公眾號(hào)：墨子沙龍, 經(jīng)典和量子的算力之爭(zhēng)： 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.

作者：Owl，小圓

編輯：麥麥

審稿人：吳書豪

一個(gè)AI

168377463465991433 可以分解為 353988821 和 475657573 兩個(gè)質(zhì)因數(shù)。

本文來自果殼，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載.

閱讀原文