看完這篇,終於可以和別人聊量子計算機了!

2021-01-13 果殼

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！具體報導請戳下圖👇


「九章號」的部分光路結構｜攝影：馬瀟漢、梁競、鄧宇皓


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。



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 | Wikimedia Commons


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。



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）| Wikimedia Commons


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。



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。



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。



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。



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。


[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.

[3] 郭光燦,陳以鵬,王琴.量子計算機研究進展[J/OL].南京郵電大學學報(自然科學版),2020(05):1-8[2020-12-04].https://doi.org/10.14132/j.cnki.1673-5439.2020.05.002.

[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.

168377463465991433 可以分解為 353988821 和 475657573 兩個質因數。


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