看完這篇 終於可以和別人聊量子計算機了!

2020-12-07 快科技

量子計算機今天刷屏了——中國研究團隊構建的量子計算機「九章」，實現了對玻色採樣問題的快速求解，其計算速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍！


「九章號」的部分光路結構

不過，大部分朋友看完都只能留下一句話：「每個字我都認識但……」別擔心，AI準備了一份小白友好的說明書。什麼是量子計算機？量子計算機為什麼厲害？量子霸權又是什麼？你都能在這裡找到看得懂的答案。

量子計算機是計算機嗎？

是，但和我們現在所理解的「電腦」差別很大—— 兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態作為計算形式。

我們日常用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字， 這些信息在硬體電路裡都會轉換成1和0（在電路中則表達為「開」和「關」），再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的「計算」過程，電腦才被稱為「計算機」。


世界上第一臺電子數字計算設備：阿塔納索夫-貝瑞計算機|WikimediaCommons

量子計算機則以量子的狀態作為計算形式。目前的量子計算機使用的是如原子、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，這次的「九章」使用的是光子。

為什麼量子計算機可以「超快」？

傳統的數字電路只有0或1兩種選擇， 量子計算機使用的粒子則能夠同時處於多種狀態。

以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態，這種偏振態可以表示除了0與1之外的多組信息，量子計算機因而能夠同時承載更多內容。

普通的計算機單元一次只能處理一個數據，稱之為1個比特；量子計算機則可以一次處理1個「量子比特」，這不僅是0和1的狀態，而是一種疊加態，可以簡單認為這是 包含了多個數據，從而使處理速度大大提升。


自然光在各個方向上振動（如2），通過「偏振片」（如3）的過濾後，僅留下特定方向振動的「偏振光」（如4）|WikimediaCommons

超級計算機也以處理速度快而著稱，但它與量子計算機不一樣。超級計算機本質上還是以傳統計算機二進位（0與1）為基礎的，運算速度依然受限於電路的性能，而量子計算機完全屬於另一個體系。

量子計算機擅長解決什麼問題？

正如上面所說的，量子計算機最大的特點就是計算速度快，太快了。

舉個例子，小學的時候都學過 質因數分解，例如6可以分解為2和3兩個質數；但如果數字很大，質因數分解就是一個很難的數學問題。

1994年，為了分解一個129位的大數，科學家同時動用了1600臺高端計算機，花了8個月的時間才分解成功； 但量子計算機理論上只需1秒鐘就可以破解。

大數質因數分解是許多安全系統的基礎，基於此的加密算法——例如RSA算法，則可能會 因為量子計算機的研製成功而被攻破。

量子計算機需要安裝系統嗎？

量子計算機本身就是一套「系統」，獨立的光學組件提供了硬體， 複雜的光路結構則決定了它的「算法」。

例如，以光子作為量子比特的量子計算機，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態、完成「算法」的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態進行觀測。


光量子計算機原型圖|墨子沙龍

不過，對於量子計算機的控制，仍然 需要通過普通電腦進行信息的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在普通電腦上輸入初始數據，數據在量子計算機控制系統中進行複雜的轉換和運算，最後得到的結果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。


量子計算機的實際操作過程|參考文獻[3]

什麼是量子霸權？

只要在某些特定的問題上，量子計算機的能力超越了任何經典計算機，這就叫做「量子霸權」。

雖然聽起來很有震懾力，但「量子霸權」其實只是量子計算機發展的一個階段，還沒有達到最理想的狀態。

目前，世界上的量子計算機研究大多是 針對用某個特定的問題。例如我國這次研發出來的「九章」，就是專門用以解決玻色採樣問題，這是常用來測試量子計算機優越性的熱門問題。

量子計算機的理想狀態則是通用量子計算機。這樣的量子計算機將被用來解決任何可解的問題，在很多領域會得到廣泛應用。

然而，目前量子比特數還遠遠不夠，糾錯容錯技術也不夠完善，大大限制了計算能力。


通用量子計算機是未來的研究方向|墨子沙龍

量子計算機最主要的優勢，是可以對數據進行同時處理。目前，更多的應用仍然是對於特定難題的計算，而想在普通的使用中發揮它的優勢，或許還有待漫長的探索。

參考文獻

[1]陳明城.實驗光學量子計算[D].中國科學技術大學,2017.

[2]方糧,劉汝霖,湯振森,隋兵才,池雅慶.量子計算機:量子算法與物理實現[J].計算機工程與科學,2012,34(08):32-43.

[4]公眾號：墨子沙龍,經典和量子的算力之爭：中國科學家實現「量子計算優越性」裡程碑

[5]魏世傑,王濤,阮東,龍桂魯.量子算法的一些進展[J].中國科學:信息科學,2017,47(10):1277-1299.

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#量子計算#量子計算機

原文連結：量子位 責任編輯：上方文Q

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