量子计算机到底神在哪里

Owl 小圆

量子计算机最近刷屏了——中国科学家构建的量子计算机“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。

量子计算机为什么这么厉害？

·量子计算机是计算机吗

是， 但和普通电脑差别很大——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，在硬件电路里都会转换成1 和0，再进行传输、运算与存储。

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，更是一种叠加态，可以简单地认为这是包含了多个数据，从而使处理速度大大提升。

·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。

举个例子，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——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

其实量子计算机本身就是一套完整的“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。

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。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普通电脑上。

·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， 就叫“ 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針对某个特定的问题。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是通用量子计算机。这样的量子计算机将被用来解决任何难解的问题，在很多领域被广泛应用。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。

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。

（摘自“果壳”微信公众号，萝卜叶子图）