一文讲解量子计算机的基础知识、应用和意义

量子计算机今天刷屏了——中国研究团队构建的量子计算机“九章”，实现了对玻色采样问题的快速求解，其计算速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍！

不过，大部分朋友看完都只能留下一句话：“每个字我都认识但……”别担心，AI准备了一份小白友好的说明书。什么是量子计算机？量子计算机为什么厉害？量子霸权又是什么？你都能在这里找到看得懂的答案。

量子计算机是计算机吗？

是，但和我们现在所理解的“电脑”差别很大—— 两者的计算形式不一样，电脑通过电路的开和关进行计算，而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式。

我们日常用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字， 这些信息在硬件电路里都会转换成1和0（在电路中则表达为“开”和“关”），再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，电脑才被称为“计算机”。

量子计算机则以量子的状态作为计算形式。目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子，这次的“九章”使用的是光子。

为什么量子计算机可以“超快”？

传统的数字电路只有0或1两种选择， 量子计算机使用的粒子则能够同时处于多种状态。

以光子为例，光除了亮与灭，其本身有着不同的偏振态，这种偏振态可以表示除了0与1之外的多组信息，量子计算机因而能够同时承载更多内容。

普通的计算机单元一次只能处理一个数据，称之为1个比特；量子计算机则可以一次处理1个“量子比特”，这不仅是0和1的状态，而是一种叠加态，可以简单认为这是 包含了多个数据，从而使处理速度大大提升。

自然光在各个方向上振动（如2），通过“偏振片”（如3）的过滤后，仅留下特定方向振动的“偏振光”（如4）|WikimediaCommons

超级计算机也以处理速度快而著称，但它与量子计算机不一样。超级计算机本质上还是以传统计算机二进制（0与1）为基础的，运算速度依然受限于电路的性能，而量子计算机完全属于另一个体系。

量子计算机擅长解决什么问题？

正如上面所说的，量子计算机最大的特点就是计算速度快，太快了。

举个例子，小学的时候都学过 质因数分解，例如6可以分解为2和3两个质数；但如果数字很大，质因数分解就是一个很难的数学问题。

1994年，为了分解一个129位的大数，科学家同时动用了1600台高端计算机，花了8个月的时间才分解成功； 但量子计算机理论上只需1秒钟就可以破解。

大数质因数分解是许多安全系统的基础，基于此的加密算法——例如RSA算法，则可能会 因为量子计算机的研制成功而被攻破。

量子计算机需要安装系统吗？

量子计算机本身就是一套“系统”，独立的光学组件提供了硬件， 复杂的光路结构则决定了它的“算法”。

例如，以光子作为量子比特的量子计算机，需要能够产生光子的单光子源，能够改变光子状态、完成“算法”的特定光路结构，还需要单光子探测器对光子的最终状态进行观测。

光量子计算机原型图|墨子沙龙

不过，对于量子计算机的控制，仍然 需要通过普通电脑进行信息的输入和输出。就像下图这样，工作人员在普通电脑上输入初始数据，数据在量子计算机控制系统中进行复杂的转换和运算，最后得到的结果则会传输回工作人员的普通电脑上。

量子计算机的实际操作过程|参考文献［3］

什么是量子霸权？

只要在某些特定的问题上，量子计算机的能力超越了任何经典计算机，这就叫做“量子霸权”。

虽然听起来很有震慑力，但“量子霸权”其实只是量子计算机发展的一个阶段，还没有达到最理想的状态。

目前，世界上的量子计算机研究大多是 针对用某个特定的问题。例如我国这次研发出来的“九章”，就是专门用以解决玻色采样问题，这是常用来测试量子计算机优越性的热门问题。

量子计算机的理想状态则是通用量子计算机。这样的量子计算机将被用来解决任何可解的问题，在很多领域会得到广泛应用。

然而，目前量子比特数还远远不够，纠错容错技术也不够完善，大大限制了计算能力。

通用量子计算机是未来的研究方向|墨子沙龙

量子计算机最主要的优势，是可以对数据进行同时处理。目前，更多的应用仍然是对于特定难题的计算，而想在普通的使用中发挥它的优势，或许还有待漫长的探索。

参考文献

［1］陈明城。实验光学量子计算［D］。中国科学技术大学，2017.

［2］方粮，刘汝霖，汤振森，隋兵才，池雅庆。量子计算机：量子算法与物理实现［J］。计算机工程与科学，2012，34（08）：32-43.

［4］公众号：墨子沙龙，经典和量子的算力之争：中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑

［5］魏世杰，王涛，阮东，龙桂鲁。量子算法的一些进展［J］。中国科学：信息科学，2017，47（10）：1277-1299.
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