量子計(jì)算機(jī)到底神在哪里

Owl 小圓

量子計(jì)算機(jī)最近刷屏了——中國科學(xué)家構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻色采樣問題的快速求解，其計(jì)算速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍。

量子計(jì)算機(jī)為什么這么厲害？

·量子計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)嗎

是， 但和普通電腦差別很大——兩者的計(jì)算形式不一樣，電腦通過電路的開和關(guān)進(jìn)行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)則是以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式。

我們?nèi)粘Ｓ玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，在硬件電路里都會(huì)轉(zhuǎn)換成1 和0，再進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲(chǔ)。

量子計(jì)算機(jī)則以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式。目前的量子計(jì)算機(jī)使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，不同類型的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)可以“超快”

傳統(tǒng)的數(shù)字電路只有0 或1兩種選擇，量子計(jì)算機(jī)使用的粒子則能夠同時(shí)處于多種狀態(tài)。以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態(tài)，這種偏振態(tài)可以表示除了0 與1 之外的多組信息，量子計(jì)算機(jī)因而能夠同時(shí)承載更多內(nèi)容。普通的計(jì)算機(jī)單元一次只能處理一個(gè)數(shù)據(jù)，稱為1 個(gè)比特；量子計(jì)算機(jī)則可以一次處理1 個(gè)量子比特，這不僅是0 和1 的狀態(tài)，更是一種疊加態(tài)，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為這是包含了多個(gè)數(shù)據(jù)，從而使處理速度大大提升。

·量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)解決什么問題

正如上面所說的，量子計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)就是計(jì)算速度快。

舉個(gè)例子，6 可以分解為2 和3兩個(gè)質(zhì)數(shù)，但如果數(shù)字很大，質(zhì)因數(shù)分解就是一個(gè)很難的數(shù)學(xué)問題。1994 年，為了分解一個(gè)129位的大數(shù)， 科學(xué)家同時(shí)動(dòng)用了1600 臺(tái)高端計(jì)算機(jī)，花了8 個(gè)月的時(shí)間才分解成功；但量子計(jì)算機(jī)理論上只需1 秒鐘就可以破解。

大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解是許多安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于此的加密算法——如RSA 算法，則可能會(huì)因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的研制成功而被攻破。

·量子計(jì)算機(jī)需要安裝系統(tǒng)嗎

其實(shí)量子計(jì)算機(jī)本身就是一套完整的“系統(tǒng)”，獨(dú)立的光學(xué)組件提供了硬件，復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)則決定了它的“算法”。例如，以光子作為量子比特的量子計(jì)算機(jī)，需要能夠產(chǎn)生光子的單光子源，能夠改變光子狀態(tài)、完成“算法”的特定光路結(jié)構(gòu)，還需要單光子探測(cè)器對(duì)光子的最終狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。

不過，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的控制，仍然需要通過普通電腦進(jìn)行信息的輸入和輸出。工作人員在普通電腦上輸入初始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，最后得到的結(jié)果則會(huì)傳輸回普通電腦上。

·什么是量子霸權(quán)

只要在某些特定的問題上，量子計(jì)算機(jī)的能力超越了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)， 就叫“ 量子霸權(quán)”。雖然聽起來很有震懾力，但“量子霸權(quán)”其實(shí)只是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)階段，還沒有達(dá)到最理想的狀態(tài)。

目前， 世界上的量子計(jì)算機(jī)研究大多是針對(duì)某個(gè)特定的問題。例如，我國這次研發(fā)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(cè)試量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性的熱門問題。

量子計(jì)算機(jī)的理想狀態(tài)是通用量子計(jì)算機(jī)。這樣的量子計(jì)算機(jī)將被用來解決任何難解的問題，在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而，目前量子比特?cái)?shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，糾錯(cuò)容錯(cuò)技術(shù)也不夠完善，大大限制了計(jì)算能力。

量子計(jì)算機(jī)最主要的優(yōu)勢(shì)，是可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)處理。目前，更多的應(yīng)用仍然是對(duì)于特定難題的計(jì)算，而想在普通的使用中發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，或許還有待漫長(zhǎng)的探索。

（摘自“果殼”微信公眾號(hào)，蘿卜葉子圖）