量子計算，比超級電腦更瘋狂

還記得電影《流浪地球2》中，說著一口流利普通話的量子計算機MOSS嗎？這位大哥不僅可以輕松控制行星發動機、操控全球防御系統，還能確保上萬座發動機同步運行，并提供“數字生命”計劃所需的強大計算力。那在現實世界中，量子計算究竟是啥樣兒的？走，一起去看看。

2024年12月9日，谷歌公司發布了名為“柳木”（Willow）的新一代量子芯片，在量子糾錯方面取得重要突破。柳木芯片有105個量子比特，不到5分鐘就能完成一個“標準基準計算”，而常規計算機卻要1025年。

除了谷歌、IBM和英特爾等公司，中國科學院等單位也開展了“九章”和“祖沖之”等量子計算機的研發工作，其中“祖沖之”三號也和“柳木”一樣，都擁有105個量子比特。2016年我國還發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，并在2022年實現1200公里的地表量子態傳輸。一個個“大新聞”把量子計算推到人們面前，似乎一個新時代即將到來。

為什么量子計算如此之快呢？當然是因為它用“量子”進行計算呀。經典計算機最小的存儲單位是比特，邏輯電路只有開和關兩個狀態，分別用“0”和“1”表示；而量子計算機是用物質的微觀特性來存儲數據和執行計算的，物質的微觀特性有很多，就像收音機上的旋鈕，不只有開和關，而是擁有多個狀態。因此，量子計算機的每個數據單元，通常稱為“量子比特”，便可以包含更多的信息。而多個量子比特能夠因同一個輸入而同時改變其狀態，實現“并行”計算，這大大提高了計算速度。

量子計算的作用可不小。比如，天氣預報需要通過對比衛星連續拍攝的云圖得出云層動態，再推算未來天氣；購物網站則通過分析客戶買東西的記錄，算出概率后按“興趣”推薦。盡管天氣預報已經使用了速度高達每秒百億次的超級計算機，但預報還是常常不準，因此人們迫切需要速度更快的計算機，量子計算恰好具備這個潛力。此外，研究物質內部的相互作用、設計建筑結構等需要大量復雜計算的工作都可以交給量子計算來完成。由于人工智能模擬人腦思維的過程被廣泛認為是一種并行處理方式，而量子計算本身也是一種并行計算，因此它在人工智能領域也具有得天獨厚的優勢。

并行計算的能力還能用在破解密碼上。傳統解密方法類似于在沒有原版鑰匙的情況下，只能通過不斷嘗試和調整來開鎖，這個過程顯然會耗費大量的時間。密碼的安全性通常是以破解所需的時間來衡量的，一般來說，如果主流計算機需要花費幾年時間才能破解，那么這個密碼才算得上是安全的。而量子計算則可以同時嘗試多把鑰匙，極大地加快了解密速度，使得原本安全的密碼變得不再安全。能解密當然就能加密，所以新選擇是用量子計算加密，“墨子號”就是用來測試量子加密通信的。

截至目前，由于量子芯片的工作條件極為苛刻，因此各國的量子芯片仍處于實驗室階段。不同于常規計算機使用的電信號，量子比特需要精密儀器才能檢測到其代表的數據。為了讓它保持穩定以及與別的量子比特相互作用，必須嚴格控制環境并進行準確操作。目前，這些都只能在最高級實驗室里完成。如果條件控制不好或測量精度不高，就會出錯，“柳木”的新糾錯手段，正是為了簡化量子芯片工作條件的嘗試之一。

一分鐘讀懂量子計算

什么是量子計算？

把物質的微觀特性與數據關聯，再通過操作改變它們，得到新數據，就是量子計算。常規計算用電壓高低定義“0”和“1”，量子計算用特性的不同定義“0”和“1”。特性有很多種，因此量子計算擁有更多的可能。

為什么研發量子計算？

網絡、人工智能等技術的進步，讓人類的生活一天也離不開計算。量子計算可以用在云圖處理、用戶分析、物質內部的相互作用的研究、建筑結構的設計、加密和解密等等需要大量復雜計算的工作上，并能大大縮短運算時間。

什么是量子并行計算？

常規計算是順序操作，就像是排隊上車，后上的人坐在哪里會被先上的人影響，要讓很多人同時上車就得多開“車門”，也就是“并行”，但這需要消耗較多資源。量子計算可以設計成一次改變多個特性，類似于向沙盤投擲沙礫，一次扔出很多顆，同時得到落點，速度遠遠超過常規計算，這就是量子并行計算。因為它只用一次操作，因而占用資源較少。

實現量子計算的難點是什么？

量子計算的數據是微觀特性，所以測量這些特性就能讀到數據；計算則是通過外部環境操作來改變特性，而多個量子比特相互作用也能互相改變特性。開發量子芯片就是去尋找適合代表數據的特性和改變它們的方法。但這些都容易受到環境和操作的影響，對儀器的要求也很高，因此現在還難以實現商業化。

頭腦風暴

目前，多個國家都在積極研究和開發量子芯片，中國已經站在計算新時代前沿。科學少年們，等你們長大，手上拿的可能就是量子計算機了。在這之前，你們對量子計算了解了多少呢？快來回答問題看看你們的實力吧！

1.以下哪些是我國開發的量子計算機？（）

A.銀河

B.曙光

C.九章

D.聯想

2.量子計算機的應用前景包括（）。

A.天氣預報

B.人工智能

C.核物理

D.以上都有

3.以下哪些單位在研制量子芯片？（）

A.谷歌

B.IBM

C.中國科學院

D.以上都有

4.構成量子芯片的基本單元是（）。

A.量子點

B.量子比特

C.與非門

D.集成電路

5.量子計算機的主要優勢體現在（）。

A.計算速度快

B.省電

C.價格低廉

D.操作簡單

6.量子芯片還未商業化的原因是（）。

A.研究機構太少

B.受重視程度不夠

C.糾錯技術不成熟

D.耗電太多