量子計(jì)算機(jī)有多神奇？

龍學(xué)鋒

20世紀(jì)80年代初，美國物理學(xué)家費(fèi)曼提出量子計(jì)算機(jī)的概念，但30多年來，量子計(jì)算這一革命性技術(shù)，似乎總是遙不可及。而如今，事情有了轉(zhuǎn)機(jī)。2017年5月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉在上海宣布，由該校主導(dǎo)研制的世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生。實(shí)驗(yàn)測試表明，該量子計(jì)算機(jī)的取樣速度比國際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬倍，比人類歷史上首臺電子管計(jì)算機(jī)和首臺晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10～100倍，創(chuàng)造世界紀(jì)錄。科學(xué)家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為未來科技的引擎，是打開無限可能性的鑰匙。

量子計(jì)算機(jī)的原理

所謂量子，是指構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元。人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

量子有一種特性，決定著它具有超快的計(jì)算能力，這種特性就是“量子疊加”。 這是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別——著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個(gè)佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要么是活的，要么是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。

有了這種疊加的“天性”，量子計(jì)算也就具備了并行的能力，即可以實(shí)現(xiàn)同步計(jì)算。按照科學(xué)家的說法，經(jīng)典計(jì)算機(jī)在二進(jìn)制算法中只能“非此即彼”：要么是0，要么是1。但量子計(jì)算機(jī)卻擁有了“0和1同時(shí)存在”的能力。

一個(gè)經(jīng)典比特（如由幾百萬個(gè)電子組成的高電平和低電平狀態(tài)）每次只能處于“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)中的一個(gè)，而一個(gè)量子狀態(tài)可以同時(shí)處于“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。當(dāng)可操縱的量子數(shù)量增多，其計(jì)算能力就會(huì)呈指數(shù)級上升。

指數(shù)級上升的威力有多大？有個(gè)棋盤麥粒的經(jīng)典故事很能說明問題。在印度有一個(gè)古老的傳說：舍罕王打算獎(jiǎng)賞國際象棋的發(fā)明人——宰相西薩·班·達(dá)依爾。國王問他想要什么，他對國王說：“陛下，請您在這張棋盤的第一個(gè)小格里，賞給我1粒麥子，在第二個(gè)小格里給2粒，第三個(gè)小格給4粒，以后每一小格都比前一小格加1倍。請您把這樣擺滿棋盤上所有的64格的麥粒，都賞給您的仆人吧！”國王覺得這要求太容易滿足了，就命人給他這些麥粒。當(dāng)人們把一袋一袋的麥子搬來開始計(jì)數(shù)時(shí)，國王才發(fā)現(xiàn)：就是把全印度甚至全世界的麥粒全拿來，也滿足不了那位宰相的要求——如果1秒鐘數(shù)2顆麥粒，要花費(fèi)上億年才能數(shù)完。

同樣的道理，如果量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力也呈現(xiàn)指數(shù)級的增長，那么一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題將“迎刃而解”。以大數(shù)因數(shù)分解為例，經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬年，萬億次量子計(jì)算機(jī)分解這個(gè)大數(shù)，則僅需1秒鐘。

量子計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)有何不同？

人們之所以對量子計(jì)算機(jī)充滿期待，和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遭遇的種種問題不無關(guān)系：近年來，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)逐漸遭遇功耗瓶頸、通信瓶頸等一系列問題，其性能增長越來越困難，探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)的需求應(yīng)運(yùn)而生。

量子計(jì)算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。舉個(gè)例子，使用億億次的“天河”二號超級計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量方程組，所需時(shí)間為100年，而使用一臺萬億次量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

再打個(gè)形象的比方，目前我們常用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，在提取某個(gè)需要解決的問題時(shí)，需要把所有可能性列舉并驗(yàn)證一遍，才能“找到”正確的信息，這相當(dāng)于一個(gè)擁有雙手的人，一個(gè)時(shí)間段只能做一件事情；而量子并行計(jì)算能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息，相當(dāng)于一個(gè)擁有2的N次方雙手的千手觀音，可以同時(shí)做2的N次方雙手可以做的事情。

想象一下，你被要求5分鐘內(nèi)在一個(gè)大型圖書館某一本書的某頁上找到一個(gè)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉袔浊f冊書。但是如果你處于幾千萬個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就是像瘋子一樣的那個(gè)你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)卻能將你復(fù)制出幾千萬個(gè)，每個(gè)只需翻找一本書即可。

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量子計(jì)算機(jī)是否可以完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)？

量子計(jì)算機(jī)無法完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的區(qū)別更像是激光和白熾燈，我們不會(huì)用激光代替白熾燈照明，但是激光在高科技領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。在可預(yù)見的將來，量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)替代人們桌上的電腦和口袋里的手機(jī)，它更不是用來玩網(wǎng)絡(luò)游戲和發(fā)微信的。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上是用來處理一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的老大難問題。

中國的量子計(jì)算機(jī)

中國研制成功的這臺光量子計(jì)算機(jī)，是利用了光量子本身是玻色子的特性，直接在光路上用10個(gè)光量子模擬了玻色子采樣問題。它在這個(gè)問題上的計(jì)算速度已經(jīng)超越了早期的經(jīng)典計(jì)算機(jī)（比歷史上第一臺電子管計(jì)算機(jī)和第一臺晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10～100倍）。

作為量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，多粒子糾纏的操縱一直是世界角逐的焦點(diǎn)。 此前，美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾提到了一個(gè)詞，叫“量子稱霸”，大意是說，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)擁有5～20個(gè)量子比特時(shí)，能完成頂級超級計(jì)算機(jī)所能完成的事情，而一旦擁有超過49個(gè)左右量子比特后，量子計(jì)算機(jī)的能力將讓超級計(jì)算機(jī)望塵莫及。

中國研究團(tuán)隊(duì)打破了由美國保持的9個(gè)量子比特操縱紀(jì)錄，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測量。這臺光量子計(jì)算機(jī)的誕生，標(biāo)志著我國在基于光子的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得突破性進(jìn)展，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。中國研究團(tuán)隊(duì)接下來的目標(biāo)是在2017年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，并致力于20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測試。那時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度將接近目前最好的商用中央處理器。到2020年，希望能夠達(dá)到50個(gè)左右量子比特的操縱，屆時(shí)有可能在處理某些問題上超越超級計(jì)算機(jī)。潘建偉表示，未來十年之內(nèi)，科學(xué)界很有可能做到100量子比特的操縱，屆時(shí)，其計(jì)算能力可能比目前最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)還要快百億億倍。

量子計(jì)算機(jī)將顛覆你未來的生活

量子計(jì)算機(jī)概念的提出者費(fèi)曼曾說過：“如果你自以為已經(jīng)理解了量子物理學(xué)，實(shí)際上你并未真正理解它。”普通計(jì)算機(jī)只能按照時(shí)間順序一個(gè)個(gè)地解決問題，而量子計(jì)算機(jī)卻可以同時(shí)并行解決多個(gè)問題。這種超快速度可能徹底改變所有行業(yè)。

量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢莫過于大幅縮短提取用戶所需信息的時(shí)間，因此它被認(rèn)為可以在幾天里解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)花費(fèi)數(shù)百萬年時(shí)間才能處理的數(shù)據(jù)，未來的應(yīng)用前景十分令人神往。

提供更為精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)

現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)大多是基于探測數(shù)據(jù)的推測，很難保證準(zhǔn)確。但量子計(jì)算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會(huì)在何時(shí)何地出現(xiàn)。我們可以提前預(yù)測颶風(fēng)等極端天氣，從而預(yù)留足夠的時(shí)間拯救生命。

開發(fā)更高效的藥物

開發(fā)一種新藥是非常復(fù)雜的過程。化學(xué)家需要進(jìn)行無數(shù)不同分子組合方式實(shí)驗(yàn)，以找到可真正有效治愈疾病的藥物。這一過程可能需要數(shù)年時(shí)間，耗費(fèi)數(shù)千萬元資金。但化學(xué)家將這些組合進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)時(shí)，依然會(huì)有很多組合失敗。而量子計(jì)算機(jī)可以繪制出數(shù)以萬億計(jì)的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合，這將大大節(jié)省研發(fā)成本和藥物研發(fā)時(shí)間。與我們當(dāng)前所用方式相比，量子計(jì)算機(jī)為人類基因分析排序的速度也更快，這將有助于研發(fā)個(gè)性化藥物和醫(yī)療保健方式。

交通擁堵將成為歷史

量子計(jì)算機(jī)可以簡化空中和地面交通控制的工作量，因?yàn)樗鼈兩朴谘杆儆?jì)算出最佳路線。如果你計(jì)劃公路旅行，期間要在10個(gè)不同的地方停留，普通計(jì)算機(jī)可能需要單獨(dú)計(jì)算所有可能路線的長度，然后篩選出最佳路線。而量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)計(jì)算所有路線的長度，并以更快的速度篩選出最佳路線。

使用量子計(jì)算機(jī)對空中交通模式進(jìn)行復(fù)雜分析，意味著可進(jìn)行更高效的飛行調(diào)度，并節(jié)省出行所需時(shí)間，因?yàn)槲覀兛梢愿玫乇苊鈾C(jī)場飛機(jī)起飛和著陸造成的瓶頸。同樣的技術(shù)也可被應(yīng)用到高速公路和復(fù)雜城市公路網(wǎng)中，以避免擁堵。

可加強(qiáng)軍事和國防

衛(wèi)星不斷收集大量照片和視頻資料。任何人都不可能搜遍和分析如此多的數(shù)據(jù)，因此很多數(shù)據(jù)只是被扔在一邊。在某些被丟棄的數(shù)據(jù)中，我們可能錯(cuò)過關(guān)鍵情報(bào)。但量子計(jì)算機(jī)卻能以比普通電腦或人類快得多的速度篩選大量數(shù)據(jù)，并向我們提供哪些照片或視頻應(yīng)該做進(jìn)一步分析，哪些可以忽略掉。

此外，量子計(jì)算機(jī)還可以用來設(shè)計(jì)新型武器，制定新的作戰(zhàn)戰(zhàn)略。首先制造出量子計(jì)算機(jī)的國家可以讓它的軍用機(jī)器人更快地做出決定，更準(zhǔn)確地采取行動(dòng)，對付更多目標(biāo)，更好地監(jiān)視整個(gè)戰(zhàn)場，比敵方機(jī)器人“棋高一招”——這將意味著勝利。

安全的加密通信

無論我們自己是否意識到，我們實(shí)際上一直都在使用加密技術(shù)。當(dāng)我們查看電子郵件或使用信用卡網(wǎng)上購物時(shí)，我們都非常依賴加密技術(shù)。通過使用與量子計(jì)算機(jī)類似的怪異量子力學(xué)特性，加密技術(shù)將變得更加安全。這種超級安全通信被稱為“量子密鑰分配”，它允許某人發(fā)送信息給其他人，而只有使用量子密鑰解密后才能閱讀信息。如果第三方攔截到密鑰，鑒于量子力學(xué)的怪異魔力，信息會(huì)變得毫無用處，也沒人能夠再讀取它。當(dāng)前，信息科技日益走向智能化，量子不僅可以用于量子計(jì)算，更安全的量子通信也應(yīng)運(yùn)而生。隨著“墨子”號發(fā)射升空，我國在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。按照規(guī)劃，未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星。到2030年左右，建成一個(gè)全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信可以從原理上確保身份認(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的安全性，從根本上解決信息安全問題。目前，量子保密通信已逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，成為未來保障信息安全的“護(hù)衛(wèi)艦”。

加速太空探索

利用開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)在太陽系外發(fā)現(xiàn)近2000顆系外行星。開普勒的任務(wù)還包括盯緊這些行星，等待它們從宿主恒星前面通過。屆時(shí)，天文學(xué)家可分析和預(yù)測這些行星上的大氣狀況，以及它們是否適合生命生存。量子計(jì)算機(jī)可應(yīng)付太空望遠(yuǎn)鏡獲得的更多數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)更多系外行星，幫助迅速確認(rèn)哪些行星最有可能適合生命生存。量子計(jì)算機(jī)甚至能夠發(fā)現(xiàn)開普勒望遠(yuǎn)鏡錯(cuò)過的系外行星。

人工智能

量子計(jì)算機(jī)可以為人工智能的進(jìn)化學(xué)習(xí)帶來一個(gè)飛躍和提升，它可以讓機(jī)器學(xué)習(xí)變得更為高效。比如它可以讓沃森一樣的人工智能形態(tài)提前具備多項(xiàng)的邏輯分析能力，再比如它可以通過自我糾錯(cuò)功能自主糾正程序中出現(xiàn)的亂碼以及出現(xiàn)在機(jī)器人身上的惡意程序代碼等。量子計(jì)算機(jī)功能的持續(xù)改善還可能促使半自動(dòng)車輛和其他先進(jìn)人工智能誕生。

量子計(jì)算機(jī)普及仍面臨諸多難題

既然量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)研制成功，那它離普及還有多遠(yuǎn)呢？量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行要符合三個(gè)條件：真空環(huán)境、絕對低溫和磁場保護(hù)。

量子力學(xué)是研究微觀尺度的科學(xué)，要想控制計(jì)算機(jī)的量子位，其實(shí)就是需要操縱單個(gè)原子，因此條件非常苛刻。原子在常溫下的速度高達(dá)數(shù)百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態(tài)，才能受控制。所以中國研制的這臺量子計(jì)算機(jī)處理器溫度一直穩(wěn)定在-273℃，只比絕對零度高0.15℃而已。

除了對環(huán)境要求嚴(yán)格，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際落地推廣方面也會(huì)遇到一些障礙。由于量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方法完全不同，因此編程的方式也完全不同并且更加復(fù)雜。這意味著，對于程序員來說，要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復(fù)雜的編程方式。

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)還有許多需要克服的技術(shù)問題，比如量子的不穩(wěn)定性決定信息狀態(tài)不穩(wěn)定，這將影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性。

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量子應(yīng)用大事記：

1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出“量子計(jì)算機(jī)”的概念。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對數(shù)運(yùn)算，且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

1997年，科學(xué)家首次用一對糾纏光子實(shí)現(xiàn)了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對糾纏光子在加那利群島的兩個(gè)島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過了143千米。

2010年1月，美國哈佛大學(xué)和澳大利亞昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報(bào)：該中心的超級計(jì)算機(jī)JUGENE成功模擬了42位的量子計(jì)算機(jī)。

2010年，中國科大—清華大學(xué)聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，傳輸距離達(dá)16千米。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時(shí)，保持量子比特的量子機(jī)械特性完整性。

2016年8月，我國自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”號成功升空。

【責(zé)任編輯】蒲 暉