想知道蟻人的量子領域到底是什麼？別急，葳姐先帶你了解量子計算機

「九章號」 的部分光路結構 | South China Morning Post

首先來給大家展示一張圖。大家能猜到這是什麼嗎？

不知道大家心目中的量子計算機是什麼樣子的，但是上圖，就是我國量子計算機 「九章」 的廬山真面目。

是不是有點超乎想像？從外觀上來說，與其說 「九章」 是臺計算機，倒不如說它是一臺 「敞開的運算系統」，囊括著大量的光路和接收裝置。

12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉團隊成功構建了76個光子的中國量子計算原型機 「九章」 。「九章」 對於處理高斯玻色取樣的速度要比目前最快的超級計算機 「富嶽」 快100萬億倍：實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」 用時200秒，而 「富嶽」 則需用6億年，可見量子運算速度是何等驚人！

日本超級計算機富嶽 | Teller Report

量子計算機使用的是諸如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子， 「九章」 使用的是光子。

經典力學普遍存在於宏觀世界，而量子力學中的分子、原子、原子核、質子、中子、電子、光子等則存在於看不見摸不著的微觀世界中。量子，作為不可分割的最小單位，一直都神秘且高冷地存在於這個微觀世界，特性怪異而奇特。在19世紀末，物理學家發現一旦當事物微縮到很小很小的規模時，一些奇怪的、令人匪夷所思的現象就會出現，已有的經典理論無法解釋這些微觀現象，於是經過物理學家的努力，在20世紀初創立了一個全新的科學領域來嘗試對這些現象作出解釋，這就是 「量子力學」 理論的由來 。

首先請大家跟著我從最基礎的概念開始了解吧！

量子計算機的概念到底是什麼呢？

我們先來用一句話來進行簡單概括：

量子計算機（Quantum Computer）是一種使用量子力學的屬性來存儲數據和執行計算的機器，而傳統計算機則是經典力學屬性。相比普通計算機，量子計算機可以更有效地執行某些特定類型的計算。

是不是覺得這個概念還有些模糊？那麼接下來，我再來為大家介紹它的確切含義。

為了更好的介紹量子計算機，我們先引入對傳統計算機的一些解釋：

大家知道傳統計算機如何儲存信息嗎？

傳統計算機的晶片使用二進位（0或1）來存儲數據，其內存的基本單位是比特（Bit）。打個比方，這些就像微型開關一樣，可以處於關閉位置（由0表示）或處於接通位置（由1表示）。這裡的0或1就是一個經典比特，我們在日常生活中所使用的每一個應用程式，訪問的每一個網站以及拍攝的照片或者輸入的漢字，都會在電路中轉變為0和1進行傳輸、運算和存儲。

傳統計算機存儲的經典比特數量是由半導體器件的數量決定的。半導體器件的體積做的越小，能夠集成的數量就就越多，計算機的算力也就越強。但是由於半導體器件可實現的最小體積是有限的，這也就意味著傳統計算機的算力也是有極限的。

接下來我們再來說量子計算機，量子計算機與傳統計算機最大的區別就在於存儲、運算的介質不同。傳統計算機通過電路的開和關進行計算，而量子計算機是以量子的狀態作為計算形式。因此，在通常由0和1所組成的二進位世界中，量子計算機就像計算機界的愛因斯坦一樣，有著非凡的 「電子大腦」 ，能夠完成傳統計算機幾乎無法處理的任務。

那麼，量子計算機又是如何儲存信息的呢？

首先，大家需要了解，量子計算機不使用經典比特來存儲信息，取而代之，它使用量子比特（Quantum Bit，Qubit）來進行信息存儲。量子比特是由量子物理系統製成的，例如電子自旋或光子方向，這些系統可以同時處於許多不同的排列中，這種性質被稱之為 「量子疊加」（Quantum Superposition）。

「量子疊加」 就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。不知道大家是否聽說過奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格的那隻貓？著名的 「薛丁格的貓」 的理論表達了 「一隻貓可以同時既是活的又是死的」 的觀念，也就是說，薛丁格的貓既不是活的也不是死的，而是處於一個生與死的疊加狀態上。這就是量子力學的特別之處 —— 它允許貓在 「死」 和 「活」 兩種狀態之間存在一個中間態。

註：

薛丁格的貓，是奧地利著名物理學家薛丁格提出的一個思想實驗，是指將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在機率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。

薛丁格的貓 | WordPress

是不是覺得好像轉到了哲學層面上因此有些迷惑？換句話說，量子計算機內存的基本單位是量子比特，一個量子比特不僅可以被設置為0或1，而且還可以被設置為0和1（經典比特只能被設置為0或1）。為此，這種疊加狀態能夠涵蓋更多的數據，就意味著多項任務可以同時完成，處理速度也可以大大提高。

另外，多個量子比特還可以通過一種叫做 「量子糾纏」 （Quantum Entanglement）的現象而緊密地連結在一起。這樣一來，一系列量子比特就可以同時表示不同的事物。

那麼，「量子糾纏」 又是什麼呢？在量子力學裡，當幾個粒子在彼此相互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法再單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，這種現象就被稱之為量子糾纏。量子糾纏是量子力學中最令人困惑的現象之一，被愛因斯坦稱之為 「幽靈般的超距作用」 。

註：超距作用（Action at A Distance）是指處於空間中兩個不毗連區域的兩個物體間的非局域相互作用。

舉一個生活中的小例子來幫助大家理解量子糾纏：如果我們擲兩枚硬幣，那麼兩次的結果肯定是無關的，因為這是兩枚獨立的硬幣。但是如果放在量子糾纏的情況中，即使兩枚硬幣在物理上是分開的，它們投擲的結果也會被神奇地連結在一起。即，如果一枚硬幣投擲結果是正面朝上，那麼另一枚也會正面朝上。

量子計算機有望普及嗎？

說了那麼多，那麼量子計算機到底有沒有可能在日常生活中實現普及呢？

其實，量子計算機和傳統計算機的差別還有很多。例如，在程序語言方面，量子計算機需要開發和實現非常特定的算法。而傳統計算機具有標準化的語言，例如Java，SQL和Python。在結構方面，量子計算機的結構也比傳統計算機更為簡單，它們沒有內存或處理器，僅僅有一組能使它運行的量子位。另外，在功能性方面，與我們的個人電腦（PC）不同，量子計算機也不適合在日常使用，它的複雜性使得它們只能在公司和科技領域內應用。

不同於傳統計算機，量子計算機對周圍環境高度敏感。熱量、電磁場以及與空氣分子的碰撞都會導致量子比特失去其量子特性。這個過程稱為 「量子脫散」 （Quantum Decoherence）。量子脫散會導致系統崩潰，涉及的粒子越多，發生的速度就越快。因此，量子計算機只有在非常特定的條件下（如，溫度接近絕對零度：-273°C）並且屏蔽了地球磁場帶來的影響，才能正常運行。這樣一來才可以防止原子移動，相互碰撞，或者與環境相互作用。否則，當這些機器與外部粒子相互作用時，測量錯誤和量子糾纏的擦除現象就會出現。這也是為什麼我們需要將量子計算機密封起來，再在外部使用普通電腦進行操作的原因。

量子計算機操作過程 | 南京郵電大學學報（自然科學版）

不過，在中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室副研究員袁嵐峰看來，火車在剛發明的時候，速度比馬車還要慢；飛機剛發明的時候，只能在天上堅持飛一分鐘；量子計算機在剛發明的時候，計算過程也是堅持不了幾分鐘。但是不管它現在有多麼初級，總有一天也會像曾經的火車和飛機一樣，一步一步邁入我們的生活中。他表示，「也許將來，我們能夠用光學實現真正強大的量子計算機，也就是可編程的、能處理很多有實用價值問題的量子計算機。」

量子計算機的優勢具體來說都有哪些呢？

在文章開頭我們已經提到過，「九章」 可以用200秒處理高斯玻色取樣。那麼什麼是高斯玻色取樣呢？袁嵐峰在接受採訪時表示，玻色取樣是用來展示量子計算優越性的特定任務中的一項。簡單來說，就是一個光路有很多個出口，問每一個出口能有多少光出去。

這個優勢還是是有點抽象，那麼量子計算機還有其他更加 「接地氣」 的優勢嗎？

對於我們的傳統計算機而言，8位（1位元組）可以表示介於0到255之間的任何唯一確定數字。但是對於量子計算機而言，8個量子位就可以同時表示介於0到255之間的任何每個數字。因此，數百個量子位，由於量子糾纏就能夠表示比宇宙中存在的原子還要多的數字。

這就是量子計算機超越傳統計算機的優勢。在存在大量可能的組合的情況下，量子計算機可以做到同時考慮所有的可能性。比方說，如果我們要求一臺傳統計算機找出迷宮中的出路，它需要依次嘗試每個分叉，然後進行逐個地篩除，直到找到正確的路徑為止。但是如果把這項任務交給量子計算機，它就可以同時走遍迷宮的每條路徑，一次就找出出路。

傳統計算機與量子計算機尋找迷宮出口路徑過程對比 | SlideShare

量子計算機的優勢是如何作用於我們的日常生活呢？

量子計算的進步可能會為網絡安全，生物醫學，金融和交通等領域帶來革命的改變。

在網絡安全方面，量子編程既有風險，也會帶來數據加密方面的進步。例如新的量子密鑰分發系統（Quantum Key Distribution，QKD）。這是一種利用量子疊加或者量子糾纏來發送敏感信息的新技術，這種技術會使用光信號來檢測系統中是否有竊聽者。

在生物醫學領域，由於量子計算機能夠描繪出數以萬億計的分子組成，並能夠快速識別其中最有效的組合，因此可以顯著提高新藥物的研發效率；另外，由於量子計算機可以使基因組測序更加高效，因此在基因定製療法的發展上以及DNA研究方面會提供很大幫助。

在金融領域，由於金融市場亦具有與量子計算機固有的隨機性相一致的隨機性，公司可以通過量子計算進一步優化其投資組合，並改善欺詐檢測和模擬系統。

在交通領域，量子計算機能夠迅速對複雜路況進行分析判斷，因此會在交通規劃系統和路線優化方面取得重大進展；另外，量子計算還可以用來分類和分析衛星傳輸圖像，或助於航空巨頭研發飛機的新型製造材料。

其實，傳統計算機與量子計算機是空間中的兩條平行線，彼此並不能替代。量子計算機的確可以在某個特定的問題上超越現有的最強的超級計算機，實現 「量子霸權」 （Quantum Supremacy）。

註：此名詞與政治無關，是科學術語，表示量子計算機在特定測試案例上表現出的超越傳統計算機的能力，實現量子霸權是量子計算發展的重要裡程碑。

但它並非在解決所有問題上都可以超越傳統計算機，袁嵐峰為我們解釋道，對於一些類似於加減乘除等沒有量子算法的問題，量子計算機在處理起來就不存在任何優勢。

綜上所述，在目前看來，量子計算的主要優勢還是體現在數據處理方面。量子計算的確具有改變世界的潛力，但是它的未來還有待探索。未來的計算機可能會是這兩種類型的組合。

文章 | 韋肖葳

指導 | 於寅虎