九章“問世”了你知道什麼是量子計算機嗎？

2020-12-06

12月4日，《科學》雜誌公佈，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！

量子計算機刷屏全網

網友們都為之驕傲欣喜

但一打開文章

大部分朋友看完都只能留下一地問號：

“每個字我都認識但……”

“量子計算機為啥這麼快？”

別擔心！

這裏有一份“小白”友好解疑書

深奧的話咱們通俗地説

（本文不涉及任何理論公式和學術探討……因為小編也不是專業的！）

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量子計算機是計算機嗎？

首先，用一句話來概括什麼是量子計算機：

量子計算機是一種使用量子力學的計算機，它能比普通計算機更高效地執行某些特定的計算。

所以説，量子計算機是一種計算機，但它不是簡單的*“進階版”計算機。*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。

舉個例子：

如果經典計算機是蠟燭，量子計算機就是電燈泡，二者都是為了發光，但是點亮方式不同、照亮範圍也有區別。即使你不斷改良蠟燭，也做不出來電燈泡。

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。

200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。

“九章”量子計算機是如何通過量子計算達到“超快”的計算速度的？

量子計算機如何“超快”計算？

量子計算機**的“龐大儲存量”

首先來看一下，經典計算機與量子計算機的儲存方式↓

經典計算機

用一系列的0和1來存儲信息。0和1系列中的每個單位被稱為比特，一比特可以被設置為0或1。

量子計算機

量子計算機用量子比特來存儲信息。每個量子比特不僅能設置為1或0，還可以設置為1和0。

可以簡單理解為，量子計算機每個單位儲存的信息更多。

這究竟是什麼意思呢？

舉個例子：

請你想一個1到10之間的數字，然後用一隻手錶示出來。一隻手每一次只能表達一個數字。

這就是經典計算機存儲數據的根本規律。只不過計算機比我們的手指頭更快，但它的一個比特位，仍然只能存儲一個二進制數。

但是，如果換成量子計算機，那表達數字的方式立即就被顛覆了。

再比如，一隻手能表達出10個數字。但手伸出來之前，會表示哪個數字，是不確定的。

這正是量子計算機的存儲單元——量子比特的存儲方式。它儲存的不是具體的數據，而是所有可能出現的數據的出現概率。

手在伸出之前都具有不確定性。但量子比特將所有可以用這隻手錶達的數字，全部都疊加在一起了。你只用了一隻手，就存儲10個不同的數字，每個數字出現的概率都是10%。

一隻手能表達出的數字很有限，同時存儲10個數字，算不上什麼神奇的事情。但不斷擴大，10隻手、100隻手，都能夠全部疊加儲存到量子比特中，這就是量子比特的威力所在。

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比特；量子計算機則可以一次處理1個“量子比特”，從而使處理速度大大提升。

量子世界本質上是平行的

量子計算機不光有強大的儲存能力，它的並行計算的能力也十分強大。就像在房間內開燈，光可以在一瞬間穿過牆壁上的所有縫隙。量子計算機能夠進行高速並行的量子計算，就是這個原理。

舉個例子：

假設有一個黑盒子，左邊伸出1000根電線頭，右邊也伸出1000根電線頭，但其實只有1根電線是連通的，請問，你該如何找到這根連通的電線呢？

答案需要嘗試1000×1000次，也就是要100萬次才能找到答案。

但如果用量子計算機解決這個問題，就簡單多了。

△量子計算機的實際操作過程

剛剛我們説過，量子比特的存儲是所有可能的數字疊加在一起存儲的。那麼從1到1000，其實就只是一組量子比特而已。也就是説，只需要一次計算，量子計算機就同時把所有的可能都考慮進去了。它可以一次性地找到那根連通的電線。通過並行計算，實現了100萬倍的效率提升。

這量子計算機到底怎麼算，你看（mei）懂（kan）了（dong）嗎？

為何“九章”如此重要？

“九章”的問世是我國在量子科技領域實現的又一飛躍，它的意義是多方面的。

*首先是在計算機、IT和數學領域，*如實現“量子計算優越性”，在某個特定問題上的計算能力遠超現有最強的傳統計算機。此外，它還可以通過量子計算機建立量子通信網絡和量子互聯網等。

其次，在實用性上，量子計算機有廣闊的空間和範圍，如密碼破譯、大數據優化、材料設計等，都可以獲得量子計算機的支持，從而解決重大的國計民生問題，併產生巨大的經濟價值。正如有科學家預言，量子計算機會被廣泛使用，甚至每個人都可以使用。

同時，量子計算機的發展，會為人工智能加持，從而減少AI應用方面的錯誤，並創造出允許早期診斷問題的智能系統。

值得一提的是，它還與藥物研發息息相關。如果運用量子計算機，只要其計算速度快過經典計算機100~1000倍，就有可能讓篩選藥物前期分子的效率提高到90%以上，費用也更為減少。不過，能否獲得真正有效的藥物分子，還要看後期的生物實驗。

此外，量子計算機的快速運算還有平常卻廣泛的運用。例如，送貨車如何選擇最有效率的路線送貨，可以藉助量子計算機的幫助。這也絕非“大材小用”。

量子計算離實用還有多遠？

對於量子計算機的研究，本領域內的國際同行公認有三個指標性的發展階段：

**第一階段，對於一些超級計算機無法解決的高複雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中“量子計算優越性”**的里程碑。
第二階段，研製可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，用於解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、優化算法等）。
第三階段，研製可編程的通用量子計算原型機。

經典計算機從專用機發展到通用機，走過了幾十年歷程，現在的量子計算機就還處在最早期的專用機時代。就算是最快的“九章”，也只跨越了第一階段。但不可否認，“九章”的問世是一個巨大的鼓舞，未來可期。