量子计算机有多神奇？

2017-06-30龙学锋

百科知识 2017年12期

龙学锋

20世纪80年代初，美国物理学家费曼提出量子计算机的概念，但30多年来，量子计算这一革命性技术，似乎总是遥不可及。而如今，事情有了转机。2017年5月3日，中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟在上海宣布，由该校主导研制的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。实验测试表明，该量子计算机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少2.4万倍，比人类历史上首台电子管计算机和首台晶体管计算机运行速度快10～100倍，创造世界纪录。科学家认为，量子计算机会成为未来科技的引擎，是打开无限可能性的钥匙。

量子计算机的原理

所谓量子，是指构成物质的最基本单元。人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。

量子有一种特性，决定着它具有超快的计算能力，这种特性就是“量子叠加”。这是量子世界与经典世界的根本区别——著名的“薛定谔猫”形象地描述了这个佯谬。在经典世界里，猫要么是活的，要么是死的，然而一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的叠加状态上。

有了这种叠加的“天性”，量子计算也就具备了并行的能力，即可以实现同步计算。按照科学家的说法，经典计算机在二进制算法中只能“非此即彼”：要么是0，要么是1。但量子计算机却拥有了“0和1同時存在”的能力。

一个经典比特（如由几百万个电子组成的高电平和低电平状态）每次只能处于“开”或“关”两种状态中的一个，而一个量子状态可以同时处于“开”和“关”两种状态。当可操纵的量子数量增多，其计算能力就会呈指数级上升。

指数级上升的威力有多大？有个棋盘麦粒的经典故事很能说明问题。在印度有一个古老的传说：舍罕王打算奖赏国际象棋的发明人——宰相西萨·班·达依尔。国王问他想要什么，他对国王说：“陛下，请您在这张棋盘的第一个小格里，赏给我1粒麦子，在第二个小格里给2粒，第三个小格给4粒，以后每一小格都比前一小格加1倍。请您把这样摆满棋盘上所有的64格的麦粒，都赏给您的仆人吧！”国王觉得这要求太容易满足了，就命人给他这些麦粒。当人们把一袋一袋的麦子搬来开始计数时，国王才发现：就是把全印度甚至全世界的麦粒全拿来，也满足不了那位宰相的要求——如果1秒钟数2颗麦粒，要花费上亿年才能数完。

同样的道理，如果量子计算机的计算能力也呈现指数级的增长，那么一些经典计算机无法解决的大规模计算难题将“迎刃而解”。以大数因数分解为例，经典计算机分解300位的大数需要15万年，万亿次量子计算机分解这个大数，则仅需1秒钟。

量子计算机与普通计算机有何不同？

人们之所以对量子计算机充满期待，和传统计算机遭遇的种种问题不无关系：近年来，传统计算机逐渐遭遇功耗瓶颈、通信瓶颈等一系列问题，其性能增长越来越困难，探索全新物理原理的高性能计算技术的需求应运而生。

量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。举个例子，使用亿亿次的“天河”二号超级计算机求解一个亿亿亿变量方程组，所需时间为100年，而使用一台万亿次量子计算机求解同一个方程组，仅需0.01秒。

再打个形象的比方，目前我们常用的经典计算机，在提取某个需要解决的问题时，需要把所有可能性列举并验证一遍，才能“找到”正确的信息，这相当于一个拥有双手的人，一个时间段只能做一件事情；而量子并行计算能够直接计算并提取出相应信息，相当于一个拥有2的N次方双手的千手观音，可以同时做2的N次方双手可以做的事情。

想象一下，你被要求5分钟内在一个大型图书馆某一本书的某页上找到一个字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有几千万册书。但是如果你处于几千万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出几千万个，每个只需翻找一本书即可。

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量子计算机是否可以完全取代经典计算机？

量子计算机无法完全取代经典计算机。量子计算机和经典计算机的区别更像是激光和白炽灯，我们不会用激光代替白炽灯照明，但是激光在高科技领域发挥着巨大作用。在可预见的将来，量子计算机并不会替代人们桌上的电脑和口袋里的手机，它更不是用来玩网络游戏和发微信的。量子计算机实际上是用来处理一些经典计算机无法处理的老大难问题。

中国的量子计算机

中国研制成功的这台光量子计算机，是利用了光量子本身是玻色子的特性，直接在光路上用10个光量子模拟了玻色子采样问题。它在这个问题上的计算速度已经超越了早期的经典计算机（比历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10～100倍）。

作为量子计算的技术制高点，多粒子纠缠的操纵一直是世界角逐的焦点。此前，美国加州理工学院的物理学家约翰·普瑞斯基尔提到了一个词，叫“量子称霸”，大意是说，当量子计算机拥有5～20个量子比特时，能完成顶级超级计算机所能完成的事情，而一旦拥有超过49个左右量子比特后，量子计算机的能力将让超级计算机望尘莫及。

中国研究团队打破了由美国保持的9个量子比特操纵纪录，自主研发了10比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。这台光量子计算机的诞生，标志着我国在基于光子的量子计算机研究方面取得突破性进展，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础。中国研究团队接下来的目标是在2017年年底实现大约20个光量子比特的操纵，并致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试。那时，量子计算机的计算速度将接近目前最好的商用中央处理器。到2020年，希望能够达到50个左右量子比特的操纵，届时有可能在处理某些问题上超越超级计算机。潘建伟表示，未来十年之内，科学界很有可能做到100量子比特的操纵，届时，其计算能力可能比目前最强大的超级计算机还要快百亿亿倍。

量子计算机将颠覆你未来的生活

量子计算机概念的提出者费曼曾说过：“如果你自以为已经理解了量子物理学，实际上你并未真正理解它。”普通计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时并行解决多个问题。这种超快速度可能彻底改变所有行业。

量子计算机最大的优势莫过于大幅缩短提取用户所需信息的时间，因此它被认为可以在几天里解决传统计算机会花费数百万年时间才能处理的数据，未来的应用前景十分令人神往。

提供更为精准的天气预报

现在的天气预报大多是基于探测数据的推测，很难保证准确。但量子计算机可以一次分析所有数据，向我们提供更好的模型，精准地显示恶劣天气会在何时何地出现。我们可以提前预测飓风等极端天气，从而预留足够的时间拯救生命。

开发更高效的药物

开发一种新药是非常复杂的过程。化学家需要进行无数不同分子组合方式实验，以找到可真正有效治愈疾病的药物。这一过程可能需要数年时间，耗费数千万元资金。但化学家将这些组合进行后期实验时，依然会有很多组合失败。而量子计算机可以绘制出数以万亿计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合，这将大大节省研发成本和药物研发时间。与我们当前所用方式相比，量子计算机为人类基因分析排序的速度也更快，这将有助于研发个性化药物和医疗保健方式。

交通拥堵将成为历史

量子计算机可以简化空中和地面交通控制的工作量，因为它们善于迅速计算出最佳路线。如果你计划公路旅行，期间要在10个不同的地方停留，普通计算机可能需要单独计算所有可能路线的长度，然后筛选出最佳路线。而量子计算机可以同时计算所有路线的长度，并以更快的速度筛选出最佳路线。

使用量子计算机对空中交通模式进行复杂分析，意味着可进行更高效的飞行调度，并节省出行所需时间，因为我们可以更好地避免机场飞机起飞和着陆造成的瓶颈。同样的技术也可被应用到高速公路和复杂城市公路网中，以避免拥堵。

可加强军事和国防

卫星不断收集大量照片和视频资料。任何人都不可能搜遍和分析如此多的数据，因此很多数据只是被扔在一边。在某些被丢弃的数据中，我们可能错过关键情报。但量子计算机却能以比普通电脑或人类快得多的速度筛选大量数据，并向我们提供哪些照片或视频应该做进一步分析，哪些可以忽略掉。

此外，量子计算机还可以用来设计新型武器，制定新的作战战略。首先制造出量子计算机的国家可以让它的军用机器人更快地做出决定，更准确地采取行动，对付更多目标，更好地监视整个战场，比敌方机器人“棋高一招”——这将意味着胜利。

安全的加密通信

无论我们自己是否意识到，我们实际上一直都在使用加密技术。当我们查看电子邮件或使用信用卡网上购物时，我们都非常依赖加密技术。通过使用与量子计算机类似的怪异量子力学特性，加密技术将变得更加安全。这种超级安全通信被称为“量子密钥分配”，它允许某人发送信息给其他人，而只有使用量子密钥解密后才能阅读信息。如果第三方拦截到密钥，鉴于量子力学的怪异魔力，信息会变得毫无用处，也没人能够再读取它。当前，信息科技日益走向智能化，量子不仅可以用于量子计算，更安全的量子通信也应运而生。随着“墨子”号发射升空，我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。按照规划，未来还将发射多颗量子卫星。到2030年左右，建成一个全球化的广域量子通信网络。量子通信可以从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的安全性，从根本上解决信息安全问题。目前，量子保密通信已逐步进入产业化阶段，成为未来保障信息安全的“护卫舰”。

加速太空探索

利用开普勒太空望远镜，天文学家已经在太阳系外发现近2000颗系外行星。开普勒的任务还包括盯紧这些行星，等待它们从宿主恒星前面通过。届时，天文学家可分析和预测这些行星上的大气状况，以及它们是否适合生命生存。量子计算机可应付太空望远镜获得的更多数据，并发现更多系外行星，帮助迅速确认哪些行星最有可能适合生命生存。量子计算机甚至能够发现开普勒望远镜错过的系外行星。

人工智能

量子计算机可以为人工智能的进化学习带来一个飞跃和提升，它可以让机器学习变得更为高效。比如它可以让沃森一样的人工智能形态提前具备多项的逻辑分析能力，再比如它可以通过自我纠错功能自主纠正程序中出现的乱码以及出现在机器人身上的恶意程序代码等。量子计算机功能的持续改善还可能促使半自动车辆和其他先进人工智能诞生。

量子计算机普及仍面临诸多难题

既然量子计算机已经研制成功，那它离普及还有多远呢？量子计算机的运行要符合三个条件：真空环境、绝对低温和磁场保护。

量子力学是研究微观尺度的科学，要想控制计算机的量子位，其实就是需要操纵单个原子，因此条件非常苛刻。原子在常温下的速度高达数百米每秒，只有让原子保持在极低的温度状态，才能受控制。所以中国研制的这台量子计算机处理器温度一直稳定在-273℃，只比绝对零度高0.15℃而已。

除了对环境要求严格，量子计算机在实际落地推广方面也会遇到一些障碍。由于量子计算机的计算方法完全不同，因此编程的方式也完全不同并且更加复杂。这意味着，对于程序员来说，要掌握一套比现有算法更为复杂的编程方式。

当然，计算机还有许多需要克服的技术问题，比如量子的不稳定性决定信息状态不稳定，这将影响到计算的准确性。

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量子应用大事记：

1982年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出“量子计算机”的概念。

1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子计算机能够完成对数运算，且速度远胜传统计算机。

1997年，科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。

2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，基本符合了量子力学的全部本质特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。