錢江晚報·小時新聞 記者 鄭琳
北京時間12月4日凌晨，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊在《科學》雜誌在線發表論文《用光子實現量子計算優越性》，宣告了中國量子計算原型機「九章」問世，中國科學加首次實現「量子計算優越性」裡程碑。
去年，谷歌也宣告了名為「懸鈴木」的量子計算機的誕生，經典計算機需要計算1萬年的工作，谷歌的計算機只需要200秒。
量子計算機成為最熱的詞彙。那麼，到底什麼是量子計算機？它為什麼能比經典計算機強大？
普通計算機的工作原理
歸根結底是用二進位做加法
我們先看看，平時用的計算機的工作原理是什麼。計算機很像是一個餃子機，它主要由兩部分組成。一部分是貨架，上面放了一些原材料，比如麵粉、水、菜、肉等等。另一個是桌臺，在上面可以對原材料進行加工處理，比如剁餡、和面、擀餃子皮、包餃子等。
計算機的結構也很類似。它有一個部分叫存儲器，其功能相當於貨架，可以用來存放各種各樣的數據。另外還有一個部分叫處理器，也就是我們常說的 CPU，其作用相當於桌臺，可以用來對存儲器中的數據進行處理。
無論是存儲器還是處理器，都只是計算機的硬體。要想讓計算機真正派上用場，還需要軟體，也就是對計算機下命令的指令集。像剁餡、和面、擀餃子皮和包餃子，就是餃子機的指令集。計算機裡也有很多指令集，其中最簡單的指令是加法，也就是把兩個數加在一起。至於減法、乘法和除法，都可以通過加法來實現。
比如，乘法其實是加法的積累。比如說1 乘 3，就相當於 1 加 1 再加 1。至於減法和除法，其實是把加法和乘法顛倒過來。
有了加減乘除，就可以讓計算機做更複雜的事。比如解方程、算微積分、畫圖片、放視頻等等。總之，計算機最核心的工作原理就是最簡單的加法運算。不管多複雜的計算機指令集，歸根結底都是在做加法。
不過在做加法之前，還有一個很關鍵的問題要解決，那就是如何用計算機裡面的元件來表示數字。計算機用的是二進位，其個位數字只有 0 和 1。到 2了以後，就得往前面的位數進位，所以二進位中的 2 要用 10 來表示。
對計算機而言，用二進位可比用十進位要簡單得多。要表示二進位中的兩個數字，0 和 1，只需要找出電子元件的兩種不同狀態。半導體二極體有一個「關」的狀態和一個「開」的狀態。用「關」來代表 0，用「開」來代表 1，這樣就可以在計算機中表示二進位的數字了。
計算機的工作原理，就是在二進位的基礎上，實現加減乘除。世界上第一臺計算機在1946年美國的賓夕法尼亞大學誕生，它是個佔地170平方米，重30噸的龐然大物，有18000個電子管，每秒鐘可以運算5000次。
在當時看來，這是非常驚天動地的速度了，到了今天已經微不足道。我們現在的家用電腦的CPU，就可以輕鬆進行每秒50億次的計算。我國的天河二號超級計算機，其計算峰值是每秒5.49京次（1億億次為1京）。
什麼是「量子優越性」
量子計算機為什麼強大
接下來我們可以說說量子計算機了。
同學們這幾天一定在很多媒體上看到「量子優越性」這個詞，聽起來非常霸氣。其實，這只是一個科學術語，它的意思是，量子計算裝置在某些特定的問題上，運算速度超越所有的經典計算機。
為什麼量子計算機速度可以那麼快呢？
因為一個量子計算機中的元器件，可以既處於開的狀態，又處於關的狀態。就像那隻著名的「薛丁格貓」，可以同時處於死和活的「疊加態」。
疊加態有什麼作用呢？這就像我們走迷宮，如果是一個人走的話，他每次遇到一個岔口，就得做出一個選擇，這就像普通計算機。但如果我們將水灌進迷宮中去，水在每一個岔口，同時做出所有選擇，這就像量子開關，同時處於開和閉的狀態。
前面講過，經典計算機裡的電子原件，它在某一時刻只能處於1種狀態，0或1。那個電子元件就是最小的信息單位，叫做一個「比特」。但一個量子比特，它可以同時存在2個狀態。假如有2個量子比特，就同時有4種狀態；3個量子比特就有8種狀態。以此類推，n個量子比特，可以有2n個狀態。同學們可以看到，隨著量子比特數量的增加，量子計算機的並行運算速度是指數增長的。當我們擁有50個量子比特的時候，250個狀態是非常龐大的天文數字，這樣的量子計算裝置，已經可以實現「量子優越性」。
事實上，谷歌去年開發的「懸鈴木」，就是擁有53個超導比特的量子計算機原型，經典計算機花1萬年計算的事情，懸鈴木只需要200秒。
而「九章」有76個光量子，它的速度又比谷歌的懸鈴木快了一百億倍。
基於量子計算的算法，可以在氣象預報、藥物分析、基因分析、經典密碼破譯等方面發揮重要作用。
興趣小組
「九章」和「懸鈴木」各有所長
「雖然『九章』和『懸鈴木』分別被設計用來處理不同的問題，但如果都和超算比的話，『九章』等效地比『懸鈴木』快了一百億倍，且克服了樣本數量依賴的缺陷。」陸朝陽接受媒體採訪時這樣說。
量子計算的基本原理雖然很簡單，可是實現它是非常困難的。主要原因是微觀的東西我們很難控制。量子開關很容易被環境影響，一旦被影響，量子疊加態就被破壞了。就像那隻薛丁格貓，如果我們打開盒子去「觀測」，它就不再是一隻既死又活的量子貓，而是一隻普通的活貓或者死貓。這個過程叫做「退相干」。
所以說，實現量子比特的相干操縱，是做成量子計算機的關鍵。除了硬體，還需要算法，將一個問題化解成具體操作。
量子計算機有兩種，一種是「量子模擬機」，它只能處理單一的任務。就好像，Alpha Go只會下圍棋，它不會下象棋。另一種是通用機，它可以處理各種各樣的任務。
我國的「九章」和谷歌的「懸鈴木」，都只能用來解決特定的問題。
「九章」只能做「高斯玻色取樣」，在這個特定任務上，它的速度超越了所有的計算機。
但谷歌的「懸鈴木」採取的超導量子比特，具有通用化的優勢。如果有足夠的量子比特且持續時間夠長就能做任何運算。事實上，我國也同時在做超導量子比特的研究。潘院士今年在西湖大學公開課上的演講上曾透露，目前正在開展60個超導比特的量子相干控制，如果做成，可以比谷歌的懸鈴木快三個數量級。
但是這距離通用量子計算機的出現，還有很長的路。
考考你
杭州高級中學西安交大少年班班主任馮漢
當我們擁有50個量子比特的時候，如果任選40個，請問這樣的選擇有多少種？
參考答案：
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