量子計算的前世今生

什么是量子計算機

我們正在使用的計算機（為了便于區分，下面我都稱之為經典計算機）的操作嚴格遵守著邏輯法則。但是微小的量子物體，比如電子、或光子等，可以打破這些規則。

基于這些打破經典的量子規則，量子計算機的想法就此孕育而生，它以一種全新的方式處理信息，使它們的運算速度在某些方面相比經典計算機要呈指數增加。

舉個例子，量子計算機可以輕而易舉地破解信息安全機制?，F在你查看的郵件和銀行數據都是由安全機密系統所保護著的，借由你給所有使用者不同組的公開密匙來加密只有你能解密的信息。這就說明目前最安全的加密方式，量子計算機幾分鐘就可以破解，而經典計算機可能需要永遠。通過量子計算機，迅速破解信用卡、國家機密和其他機密資料都將輕而易舉。

量子計算機與經典計算機的區別

當我們說量子計算機的處理速度要比經典計算機快許多的時候，的確，這很容易讓人誤解為如果科學家成功研制出量子計算機，就可以取代現在我們所使用的經典計算機。

而事實是，量子計算機并不是在任何情況下都比經典計算機快，而只有在特定的任務中才會表現得更加出色。如果你只是想看高清的影片、瀏覽網頁或處理文件，量子計算機并不會帶來什么進步。所以，它無法取代經典計算機。

在某種程度上說，量子計算機和經典計算機的關系，就好像激光和白熾燈的關系。我們不會用激光去取代白熾燈進行照明，但同樣的，白熾燈也無法取代激光在我們日常生活中所起到的各種作用。

量子計算機可以干點什么

量子計算機會被大量地應用在政府組織、研發公司和大學之中，用以解決目前經典計算機無法解決的問題。

當費恩曼提出量子計算機時，就想到了它的第一個實際用途：模擬量子系統。為什么不用量子計算機來模擬量子物理呢？這是一個絕妙的想法，至少它會對化學和生物學產生重大影響。例如，化學家可以準確地模擬藥物間的相互作用，而生物學家則可以研究蛋白質折疊的所有可能方式，以及它們之間的作用等。

量子計算機在識別數據的模式上也有巨大的優勢，這對機器學習問題很有用，可以識別在圖像中的不同物體。它們也可以被用以建立預測未來的模型，如長期的天氣預測。

這些只是一些可以預見的用途，但最終，量子計算機的能力是無法被預測的。而量子計算機的潛力，也是無法想象的。

量子計算機如何運作

經典計算機中的芯片包含模組，模組包含邏輯門，邏輯門包含晶體管。晶體管代表著計算機的處理器里一個最簡單的形態。簡單說是個可以阻擋、通過信息的開關。我們用“開”存儲數字1，用關存儲數字0。每個0或1代表一個二進制數字（即比特）。比特代表著信息的最小單位。

而量子計算機用來儲存數據的對象是“量子比特”，它可以儲存0或1。但瘋狂的是，量子比特也能達到混合狀態，稱之為“疊加態”。也就是說，量子比特能同時存儲1或0或者既是1又是0，它代表著0和1之間所有可能的疊加狀態。這種模糊性——可以同時“是”和“不是”——正是量子計算機的獨特魅力。

雖然你無法預測量子比特會處于哪個狀態，但當你測量它的瞬間，它將會坍縮成一個固定的狀態。

量子計算機如何改變游戲規則

經典計算機和量子計算機的根本區別在于它們解決問題的方式。

經典計算機解決一個問題的方式就類似于你試圖逃離一個迷宮——嘗試所有可能的走道，途中會遇到死路，直到你最終找到出口。而疊加態的魔力則在于，它允許量子計算機在同一時間嘗試所有的路徑，也就是說，它會迅速地找到一條捷徑。

經典計算機中的兩個比特可以有四種不同的組合（即00、01、10或11），但它們每次只能處于其中的一個狀態。這就限制了計算機的處理速度，就好像在迷宮中要嘗試一個個走道。

在量子計算機中，兩個量子比特同樣也有四種態（00、01、10或11）。不同的是，由于疊加態，兩個量子比特可以同時處于這四種狀態。有點像四臺經典計算機同時并行工作。

如果在經典計算機中增加更多的比特，它依舊只能在一個時間內處理一個態。但是當你增加量子比特時，量子計算機的能力就會以指數式增長。從數學上來說，如果有“n”個量子比特，就可以同時代表2的n次方個態。

所有這些都體現出了量子計算機的優越性。雖然目前它無法取代經典計算機，但對于經典計算機而言“幾乎不可能的任務”，量子計算機都可以解決。

量子計算機

有什么重要性質

但為了得到指數式的計算速度，所有的量子比特都必須通過一種叫做“量子糾纏”的過程聯系在一起。愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅般的超距作用”。

起初被糾纏的兩個粒子都處于自旋向上或向下的疊加態，一旦我們通過測量知道了第一個粒子的自旋是向上的，那么第二個粒子的自旋肯定向下，即使它們相隔宇宙的兩端。當有多個量子比特被糾纏的時候，對其中的一個量子比特的操作就會瞬時影響所有其他的量子比特，就意味著空前的并行運算能力。

量子霸權

（通用量子計算機）

一般認為需要50個量子比特，才能證明量子霸權超越經典邏輯計算機的極限，即有真正的實用價值，并讓它們結合起來成為可儲存和可操作的量子處理器。

50個邏輯量子比特就可以描述量子霸權，而要這50個邏輯量子比特穩定的工作需要幾千個物理量子比特去實現誤差校正，即去維持量子疊加態，需要巨大的物理資源。

即使在超低溫下，環境因素的影響降到最低，不同量子比特的相互作用，也會讓量子比特丟失量子相干性，而一切量子計算機都是基于量子相干性。而且量子比特的數量越多，相互之間的作用就更不可控。所以即使增加一個邏輯量子比特也是很艱巨的任務。

而潘建偉教授的團隊做的玻色采樣，即是在光子平臺上，對這一模型的實現。他們通過電控可編程的光量子線路，首次在國際上實現5光子玻色采樣。他們的結果表明，該原型機的取樣速度比國際同類實驗加快至少24000倍，也比人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10～100倍。可以說這是歷史上第一臺超越最早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機。

此外，科學家也利用超導線路中的電磁振蕩作為量子比特。這些作為量子比特的線路可以取值0（沒有光子通過）或1（有微波光子）。先前谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱，但這一紀錄已被潘建偉團隊打破。此次他們研發了10個超導量子比特的線路樣品，通過發展全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。

目前，世界各大實驗室都競相在研發第一臺能夠實現“量子霸權”的量子計算機。究竟誰會拔得頭籌，我們拭目以待。稿件來源：中科院物理所