量子计算机有多神奇？

⊙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。

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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。量子计算机却拥有了“0和1同时存在”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。

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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。而量子计算机能将你复制出几千万个，每个只需翻找一本书即可。

阅读练习

1.文章中画线句子使用了什么说明方法？有什么作用？

2.请你给文章A、B两处拟写恰当的标题。

3.量子计算机最突出的特点是什么？

4.文章中作者引用了棋盘麦粒的经典故事有什么说明作用？

5.量子计算机与传统计算机的区别是什么？

（参考答案见79页）