量子計算機為何優秀

文｜馬 迪

量子霸權之爭也就是未來數字世界之爭。

近幾年“量子”這個詞聲名大噪。看到“量子”這個詞，許多人第一反應就是把它理解成像原子、電子、質子一樣的某種粒子。但事實上，量子只是物理學中的一個概念，即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就說它是量子化的。也就是說，并沒有某種粒子專門叫做“量子”！

量子聽起來似乎很前沿，但對相關研究者來說，量子力學是個很古老的理論—已經超過了一個世紀。19世紀初期，科學家們發現很多物理現象無法用經典理論解釋，尤其在微觀層面，大部分現象都是量子力學出現后才能回答的。

1982年，美國著名物理學家理查德·費曼提出了利用量子效應進行計算的新奇想法，“自然是量子的，所以如果我們想要模擬它，我們就需要一臺量子計算機”；1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾證明量子計算機能夠完成對數運算，且速度遠勝傳統計算機；2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，基本符合了量子力學的全部本質特性。

首先我們要明確的一點是，無論是現在我們使用的傳統計算機，還是尚未到來的量子計算機，都是用0和1二進制序列保存數據的。不同的是，傳統計算機每比特非0即1，而在量子計算機中，量子比特可以處于即是0又是1的量子疊加態，因此可以進行高效率的并行計算。也就是說，量子計算機在實施一次的運算中可以對 2 的 N 次方個輸入數據同時進行數學運算，相當于傳統計算機要重復實施 2 的 N 次方次操作，或者采用 2 的 N 次方個不同處理器實行并行操作。

其實，我們只需要記住一點：量子計算是對傳統計算的徹底顛覆，量子計算機成熟之日，就是傳統計算機被淘汰之時。這也是它被稱為“次世代計算機”的原因。

在傳統計算機界，“摩爾定律”一直是金科玉律，即計算機芯片的晶體管密度每18個月翻一番，算力增強一倍，這是一種指數增長的規律。但是近年來隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學極限，這一定律已經放緩甚至面臨失效。如果摩爾定律終結，在后摩爾時代，提高運算速度的途徑顯然就只剩量子計算機一途了。

20世紀90年代開始，美國就在這方面花大力氣研究，在硬件、軟件、材料各個方面投入巨大，多個科技巨頭公司開始了量子計算的“軍備競賽”。

谷歌在量子計算領域的投入已經持續了13年的時間。2019年10月，其研究團隊發表論文，表示研制出了一個由54個量子比特組成的處理器“Sycamore”。在執行一項隨機數字采樣的任務過程中，量子處理器在約200秒的時間內從量子電路中采集了100萬個樣本，而一臺當代最尖端的超級計算機需要約1萬年才能完成同樣的任務。

研究團隊認為，這標志著“量子霸權”（Quantum Supremacy）的實現。有趣的是，老對手IBM很快公開發文，“炮轟”谷歌的“量子霸權”有缺陷，在傳統計算機上模擬谷歌計算機的結果其實只需要2天半，根本用不了一萬年。

霸權什么的聽上去很唬人，其實與政治毫無關聯。“量子霸權”長期以來被用于描述量子計算機發展的關鍵節點，指量子計算機能解決傳統計算機無法解決的復雜難題，也就是展現其壓倒性的優勢。所以也有很多人說“Quantum Supremacy”應該被翻譯成“量子優勢”才更準確。

無論如何，Quantum Supremacy是量子計算機邁向實際運用的關鍵一步。

量子霸權之爭也就是未來數字世界之爭。在一個“算力為王”的互聯網時代，量子計算技術一旦獲突破，掌握這種能力的國家，會在經濟、軍事、科研、安全等領域崛起成為超級強國。

中國是這個領域的后來者，但進展迅速，可以說，在“第二次量子革命”的起步階段，中國已經進入世界“第一陣營”。據統計，中國人的量子科研論文發表量排名全球第一、專利應用排名第二；2016年，中國研制的世界首顆量子實驗衛星“墨子號”成功發射，并首次成功實現千公里級的星地雙向量子通信；2017年，中國科技大學的相關團隊宣稱成功構建出世界上第一臺光量子計算機，而且在全球首次實現了10個超導量子比特的高精度操縱……

總之，在量子計算機面前，復雜的宇宙模擬、航空航天、地震預測、天氣預報、高能物理、化學模擬、藥物研發、金融分析、加密通信等種種科學計算以及當下火熱的AI應用所需的超強算力，都只是小菜一碟。雖然專家們都說，通用量子計算的實現可能至少需要10年甚至更長的時間，但正應了那句話：“所有人都在等待，所有等待都值得。”