「遇事不決，量子力學」：到底什麼是量子計算？都有哪些機遇？

10月16日下午，國家領導就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。

清華大學副校長、中國科學院院士薛其坤就這個問題進行了講解，並提出了意見和建議。

量子科技，量子計算機等詞彙一下子刷了屏。

但對我們很多普通人來說，量子科技這個離我們太遠，而且很多人提起量子計算，的第一反應，就是騙人的。

為什麼？

比如，我說下下面這些詞，你是否聽過？

量子針灸、量子床墊、量子空氣淨化器、量子眼鏡、量子內衣等等。

朋友圈裡還流傳一個很廣的順口溜：遇事不決、量子力學；解釋不通、穿越時空。

總之，就欺負我們普通人不懂，搞出這些特別高深的詞，唬人。

那麼，量子科技、量子計算機到底是怎麼回事呢？

為此，我特意向得到《前沿科技·量子計算》的主理人李鐵夫進行請教。

李鐵夫，清華大學微電子學研究所副研究員，北京量子信息科學研究院兼聘研究員，日本理化學研究所客座研究員，從事量子計算機科研工作近20年。

針對，我代表讀者向他提出的一些量子計算非常基礎的問題，李鐵夫老師做了耐心、細緻地解答，把晦澀、深奧、難懂的量子計算，抽絲剝繭的解釋的非常清楚。

下面，我就把李鐵夫老師的回答分享給你。

希望對你有所啟發。

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1.到底什麼是計算？

有人可能會說，計算還不簡單，就是算術嗎，1+2=3就是計算。

對，沒錯。

1+2=3，就是計算。

那計算機呢？

就是運算1+2=3這個計算的機器，或者說系統。

我們找到一個計算器，通過按鍵，輸入1+2，然後按「=」，計算器經過計算，就會得出結果：3。

這個計算器就是一個計算機，有輸入，通過運算得出結果的系統。

如果說一個輸入後，就能通過運算得出結果的系統就是計算機的話。

那我們小時候學習計算用的數手指頭，是不是計算機呢？

是。

同樣計算1+2=3，我們是不是一隻手，比劃出1，另一隻手比劃出2，然後兩隻手合在一起，一數，就得出了答案3。

這時，我們伸出「1」&「2」的兩隻手，就是輸入，兩隻手合在一起就是運算，三根手指就是答案。

所以，這當然是一個計算機，你可以叫它手指計算機。

那麼，到底什麼是計算？

計算，就是一個輸入之後，通過運算，能得出結果的物理系統，這就是計算。

甚至，按照這個概念，我們再延伸一下。

我們用電飯煲做米飯。

把米和水放進電飯煲裡，蓋上蓋啟動，最後得出香噴噴的米飯。

這是不是計算？

這其實也是計算。

加入米和水就是輸入，電飯煲通過加熱等煮飯過程就是運算，香噴噴的米飯就是結果。

所以，到底什麼是計算？

只要按照需求完成輸入、運算和輸出的物理系統都是計算。

這時，決定這個計算系統的能力，也就變成了由這個計算系統是一個什麼樣的物理系統，以及我們對它規則的掌控程度所決定。

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2.什麼是量子計算？

在了解量子計算之前，為什麼我們要花篇幅介紹，到底什麼是計算？

那是因為，量子計算和我們現在熟知的計算系統從最底層邏輯上就有本質的不同。

就以電子計算機和量子計算機的不同來說。

我們熟知的電子計算機，是通過控制電子來實現輸入、運算、輸出這個系統，它遵循的是經典的電磁規律。

那量子計算機呢？

量子計算機是利用量子力學規律操控的一個物理系統，它遵循的是量子力學。

而通過量子力學操控的這個物理系統，其實和電子計算機一樣，也是操控比特。

只不過，量子計算機，操控的是量子比特。

可能有對計算機不熟悉的朋友，不知道比特是什麼，更別提量子比特了。

簡單來說，比特是信息量的最小單位。

在經典計算機（我們熟知的電子計算機）中，每個0或1就是一個比特。

8比特就是一個字節；

1024位元組就是1KB；

1024KB就是1MB（一兆B）；

1024MB就是1GB。

我們現在的很多智慧型手機，都是128G，256G的存儲空間。

所以，比特是信息量的最小單位，每個0或者1就是一比特。

那量子比特呢？

與電子計算機中的比特不同的是，一個量子比特不但可以是0，還可以是1；而且一個量子比特不只是能讓0和1同時存在，還可以控制「0」和「1」的佔比。

這就是量子計算和經典計算的本質不同，量子計算機是利用量子力學規律操控一個物理系統，而量子計算機所操控的量子比特，既可以代表0，又可以代表1。

這種狀態在量子力學中稱作「量子疊加態」。

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3.什麼是量子疊加態？

量子疊加態，這種既可以代表0，又可以代表1的狀態，因為我們平時沒接觸過，會非常難以理解。

你可能聽說過「薛丁格的貓」，就是把一隻貓和一瓶毒藥關在一個盒子裡。

如果你打開這個盒子，那麼這隻貓只有兩種可能，要麼活著，要麼死了。

但是如果你不打開這個盒子呢？

你怎麼描述這個盒子裡的貓，它的狀態是什麼？

因為你不知道盒子裡的情況，所以這隻貓就處於既生又死的疊加態狀態。

量子比特既是0，又是1，也就是大概這個意思。

那這種量子疊加態有什麼意義，經典一個比特不也是能表示兩個狀態嗎，要麼是1，要麼是0。

量子疊加態的重要意義不是一個量子比特可以表示0和1，而是一個量子比特可以同時代表0和1，甚至可以控制他們的百分比。

而經典比特是要麼是1，要麼是0 ，從時間上來說，就是先是1，後是0。是有先後關係的。

如果這樣說還有點抽象。

那我們再打個走迷宮的比方。

經典計算機中，或者我們想像中一個人怎麼走迷宮？

你是不是要沿著一條路走，遇到一個岔路怎麼辦？

你只能先走其中一條路，如果不對，你會返回來再走另一條。

所以，如果有1個岔路，也就是2條路，理論上你可能要走2次，才能走出迷宮。

如果，有2個岔路，4條路，只有1個出口呢？

那你就有可能要走4次，才能走出迷宮。

如果是，1000條路，只有1個出口呢？

你就真的有可能要走1000次，才能走出迷宮。

那量子計算呢？它是怎麼處理的？

它只需要走一次。

因為量子疊加態的特性。它可以同時走2條路、4條路、1000條路。

這就是量子疊加態的重要特性。

你可以把它理解成這時候走迷宮的不是我們普通人，而是孫悟空。

它可以吹一根毫毛變出千萬個。

我們要一條路，一條路地走。

它就可以成千上萬條路一起走。

這就是量子疊加態。

理解了什麼是量子疊加態，那這種特性對計算有什麼幫助呢？

其實通過上面走迷宮的例子，應該就能看出來，因為量子可以同時走成千上萬條路。

這種特性，會指數級提高信息處理的速度。

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為什麼量子計算機可以指數級增加信息容量？

量子疊加態除了可以提高信息處理速度，還可以指數級的增加信息容量。

什麼意思？

我們用通過手指數蘋果來做對比。

假設，有很多個盤子，每個盤子裡放著不超過10個蘋果。

正常數的話，我們看到A盤子裡有8個蘋果，就舉出8個手指。

用信息容量的概念，就是，我們用了10根手指存儲了A盤子有8個蘋果這個數據。

這時，用量子手指呢？

其實也一樣。我們也佔用了10根量子手指。

但量子最強大的能力是，它的疊加態特性。

這時如果面對有很多盤蘋果的情況下，這種特性的優勢就顯現出來了。

比如，現在有27盤蘋果。我們現在要把這27盤蘋果分別有多少個存儲下來。

正常情況怎麼辦？

正常情況我們只能找27個人，每個人用他的10根手指表示一盤蘋果。

這樣27個人站成一排，用270根手指，才能把這27盤分別有多少蘋果存儲起來了。

那量子手指呢？

因為，量子疊加態的特性，無論是1盤蘋果，還是27盤蘋果，它都只需要10根量子手指同時表示。

而且27盤，也不是10根量子手指同時表示的最大值，10根量子手指同時表示的最大值，是1024盤蘋果。

（註：這裡假設這個量子手指只有0和1兩種疊加態，其實可以更多，但是那樣更複雜了）

也就是說，即使你有1024盤蘋果，也只需要10根量子手指就能完全表示了。

而普通手指，你需要10240根，也就是要1024人。

所以，量子疊加態這種特性除了可以提高信息處理速度，還可以指數級的增加信息容量。

所謂指數級增加，是指N個量子比特的信息容量比N個經典比特放大了2的N次方倍。

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4.什麼是高效的計算系統？

說到，量子計算機的強大，可能也有同學聽說過「量子霸權」這個名詞。

什麼是量子霸權？

量子霸權是2011年由科學家們提出的一個指標，它指的是，量子計算機只要針對某個特定計算問題，擁有超越所有經典計算機的計算能力。

就算達成了量子霸權。

2019年9月20日，谷歌的科研人員在53量子比特的量子計算機上，運行隨機量子線路採樣任務並與模擬超級計算機的計算進行對比，最終得出結論：量子計算機已經實現量子霸權。

根據這篇論文給出的數據，谷歌量子計算機花費200秒也就是3分20秒完成了計算，放到當今最強大的超級計算機Summit，則需要花費上萬年才能完成。

一萬年和200秒。

這就是量子計算機相對當今最強大的經典計算機Summit的碾壓。

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聽到這裡，你可能會說，原來量子計算機這麼厲害，這是要徹底碾壓經典計算機啊。

其實，也不能完全這樣說。

畢竟真正算上可以像經典計算機一樣解決人類通用問題的量子計算機還沒有出現。

原因是，穩定的控制好一個量子系統，在硬體上，用現在的方法，實現起來是一個相當困難的事。

谷歌實現量子霸權的量子計算機，也只能控制53量子比特。

即使，不說硬體的研發難度。

假設現在我們有了一個挺完美的、可控的量子計算機，我們目前，其實也沒有足夠好的算法，在這臺計算機上做運算。

在前文說計算的本質是，我們提到，決定一個計算系統的能力，是由這個計算系統是一個什麼樣的物理系統，以及我們對它規則的掌控程度所決定。

這裡，對它規則的掌握程度，一部分就體現為提煉算法的能力。

（註：這種掌握程度，包含提煉算法，還有對物理系統的控制能力等等）

量子計算的優勢是並行處理信息這件事上，因為它是疊加態，它就可以疊加態的輸入、疊加態的運算、疊加態的給出結果。

那麼一個算法，如果能把量子計算機這種並行處理信息的能力發揮出來，這個算法也才能把量子計算機的優勢顯現出來。

但是，我們目前已經有的比較成熟的算法，其實並不多。

比如肖爾算法。

這是由數學家彼得·肖爾提出針對破解RSA加密協議的算法。

RSA協議是現在應用最廣泛、最安全的加密算法。

但是量子計算機用肖爾算法可以分分鐘就破解這些密碼。

所以，經常一提到量子計算機，有人就會說那我們的銀行密碼就不保了，錢就會被取走了。

其實不會的，即使量子計算機真的成熟了，那時我們的加密算法也會跟著升級。

所以在這點上，無須擔心。

只要知道，肖爾算法是理論上被證明一個在量子計算機上有良好應用的算法。

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除了肖爾算法，計算機科學家格羅佛提出了一個在無序的資料庫中進行搜索的量子算法。

這個算法雖然也不錯，但是他帶來搜索速度的提升，只能達到平方根的程度，比量子計算可以並行計算，進行指數級加速比，差很多了。

那麼到底差多少呢？

比如，經典計算機需要運算10000年的話；如果是平方根級的加速，那麼只需要155小時就可以完成；

但如果是充分利用了量子計算機的特性，進行指數級的加速，那麼只需要38秒。

當然，從10000年到155小時，這也已經相當快了。

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所以說，一個計算系統真正有效，不但要有一套操控穩定的物理系統，還要有適用這個物理系統規則的算法才能真正發揮它的作用。

對量子計算機來說，這裡的算法就要充分地把量子計算並行處理信息的能力發揮出來，這個算法才是一個有效的算法。

這個計算系統，也才是個高效的系統。

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5.現在，量子計算機在商業上有什麼應用呢？

量子計算機雖然理論上被嚴格證明了，而且運算能力強大，但是無論是受硬體的限制還是算法的限制，現在還沒有辦法做出來一臺真正的，大規模的，解決實際問題的量子計算機。

那，現在，量子計算機在商業上都有什麼應用呢？

主要是通過特定的系統解決特定的問題。

比如在製藥上，量子計算機可以模擬一些蛋白分子的摺疊情況。

為什麼模擬這個？

因為像是阿爾茨海默病、帕金森、2型糖尿病等等，這些疾病的致病原因都是因為某些蛋白質摺疊錯誤導致的。

如果量子計算機可以模擬出來，就可以大大幫助醫療製藥。

再比如加拿大的D-Wave公司推出一臺商用的退火量子計算機。

退火是一類算法名字，專門用於進行問題優化，比如找到複雜區域的最優路線，找到某種材料的最穩定狀態等等。

量子退火能幫助人們從體量巨大、結構繁多的數據中心，挖掘規律，發現模式。

以上，就是量子計算機在商業上實際的應用，雖然還不多，但是相信，隨著量子技術的持續發展，一定會有越來越多的商業應用被開發出來。

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最後的話

以上，就是李鐵夫老師關於量子計算領域幾個基礎問題的解答。讓我醍醐灌頂。

最後，我向李鐵夫老師請教。

在通過這5個基本問答之後，我們的讀者可能已經對量子計算有了簡單的了解。那麼對普通人來說，我們應該如何抓住這個機遇呢？

李鐵夫老師說，所謂的機遇，很有可能就像當年的經典計算機一樣，都值得借鑑。

我們學歷史的目的並不是想真的了解那段歷史，其實是為了能有更好的當下。

還有重要的一點，那就是心態。

面對新技術，新科技。

你表現得是拒絕，是要做那個被新科技逼得不得不改變的人；

還是表現得是歡迎，是做那個擁抱新科技，去造成改變的人。

祝福。

祝福那些創新、求變，去造成改變的人。