量子計算機到底神在哪里

Owl 小圓

量子計算機最近刷屏了——中國科學家構建的量子計算機“九章”，實現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。

量子計算機為什么這么厲害？

·量子計算機是計算機嗎

是， 但和普通電腦差別很大——兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態作為計算形式。

我們日常用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，在硬件電路里都會轉換成1 和0，再進行傳輸、運算與存儲。

量子計算機則以量子的狀態作為計算形式。目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，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”

傳統的數字電路只有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。以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態，這種偏振態可以表示除了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容。普通的計算機單元一次只能處理一個數據，稱為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，更是一種疊加態，可以簡單地認為這是包含了多個數據，從而使處理速度大大提升。

·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。

舉個例子，6 可以分解為2 和3兩個質數，但如果數字很大，質因數分解就是一個很難的數學問題。1994 年，為了分解一個129位的大數， 科學家同時動用了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。

大數質因數分解是許多安全系統的基礎，基于此的加密算法——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嗎

其實量子計算機本身就是一套完整的“系統”，獨立的光學組件提供了硬件，復雜的光路結構則決定了它的“算法”。例如，以光子作為量子比特的量子計算機，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態、完成“算法”的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態進行觀測。

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。工作人員在普通電腦上輸入初始數據，數據在量子計算機控制系統中進行復雜的轉換和運算，最后得到的結果則會傳輸回普通電腦上。

·什么是量子霸權

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典計算機， 就叫“ 量子霸權”。雖然聽起來很有震懾力，但“量子霸權”其實只是量子計算機發展的一個階段，還沒有達到最理想的狀態。

目前， 世界上的量子計算機研究大多是針對某個特定的問題。例如，我國這次研發出來的“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越性的熱門問題。

量子計算機的理想狀態是通用量子計算機。這樣的量子計算機將被用來解決任何難解的問題，在很多領域被廣泛應用。然而，目前量子比特數還遠遠不夠，糾錯容錯技術也不夠完善，大大限制了計算能力。

量子計算機最主要的優勢，是可以對數據進行同時處理。目前，更多的應用仍然是對于特定難題的計算，而想在普通的使用中發揮它的優勢，或許還有待漫長的探索。

（摘自“果殼”微信公眾號，蘿卜葉子圖）