看完这篇,终于可以和别人聊量子计算机了

传统的数字电路只有 0 或 1 两种选择,量子计算机使用的粒子则能够同时处于多种状态。目前,世界上的量子计算机研究大多是针对用某个特定的问题。例如我国这次研发出来的“九章”,就是专门用以解决玻色采样问题,这是常用来测试量子计算机优越性的热门问题。量子计算机的理想状态则是通用量子计算机。

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:Owl,小圆,题图来自:视觉中国

量子计算机昨天刷屏了——中国研究团队构建的量子计算机“九章”,实现了对玻色采样问题的快速求解,其计算速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍!

看完这篇,终于可以和别人聊量子计算机了

“九章号”的部分光路结构|摄影:马潇汉、梁竞、邓宇皓

不过,大部分朋友看完都只能留下一句话:“每个字我都认识但……”别担心,AI准备了一份小白友好的说明书。什么是量子计算机?量子计算机为什么厉害?量子霸权又是什么?你都能在这里找到看得懂的答案。

量子计算机是计算机吗?

是,但和我们现在所理解的“电脑”差别很大——两者的计算形式不一样,电脑通过电路的开和关进行计算,而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式。

我们日常用的电脑,不管是屏幕上的图像还是输入的汉字,这些信息在硬件电路里都会转换成 1 和 0(在电路中则表达为“开”和“关”),再进行传输、运算与存储。正是因为这种 0 和 1 的“计算”过程,电脑才被称为“计算机”。

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世界上第一台电子数字计算设备:阿塔纳索夫-贝瑞计算机 | Wikimedia Commons

量子计算机则以量子的状态作为计算形式。目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统,不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子,这次的“九章”使用的是光子。

为什么量子计算机可以“超快”?

传统的数字电路只有 0 或 1 两种选择,量子计算机使用的粒子则能够同时处于多种状态。以光子为例,光除了亮与灭,其本身有着不同的偏振态,这种偏振态可以表示除了 0 与 1 之外的多组信息,量子计算机因而能够同时承载更多内容。

普通的计算机单元一次只能处理一个数据,称之为 1 个比特;量子计算机则可以一次处理 1 个“量子比特”,这不仅是0和1的状态,而是一种叠加态,可以简单认为这是包含了多个数据,从而使处理速度大大提升。

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自然光在各个方向上振动(如2),通过“偏振片”(如3)的过滤后,仅留下特定方向振动的“偏振光”(如4)| Wikimedia Commons

超级计算机也以处理速度快而著称,但它与量子计算机不一样。超级计算机本质上还是以传统计算机二进制(0 与 1)为基础的,运算速度依然受限于电路的性能,而量子计算机完全属于另一个体系。

量子计算机擅长解决什么问题?

正如上面所说的,量子计算机最大的特点就是计算速度快,太快了。举个例子,小学的时候都学过质因数分解,例如 6 可以分解为 2 和 3 两个质数;但如果数字很大,质因数分解就是一个很难的数学问题。

1994 年,为了分解一个 129 位的大数,科学家同时动用了 1600 台高端计算机,花了 8 个月的时间才分解成功;但量子计算机理论上只需 1 秒钟就可以破解。

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大数质因数分解是许多安全系统的基础,基于此的加密算法——例如 RSA 算法,则可能会因为量子计算机的研制成功而被攻破。

量子计算机需要安装系统吗?

量子计算机本身就是一套“系统”,独立的光学组件提供了硬件,复杂的光路结构则决定了它的“算法”。例如,以光子作为量子比特的量子计算机,需要能够产生光子的单光子源,能够改变光子状态、完成“算法”的特定光路结构,还需要单光子探测器对光子的最终状态进行观测。

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光量子计算机原型图 | 墨子沙龙

不过,对于量子计算机的控制,仍然需要通过普通电脑进行信息的输入和输出。就像下图这样,工作人员在普通电脑上输入初始数据,数据在量子计算机控制系统中进行复杂的转换和运算,最后得到的结果则会传输回工作人员的普通电脑上。

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量子计算机的实际操作过程 | 参考文献[3]

什么是量子霸权?

只要在某些特定的问题上,量子计算机的能力超越了任何经典计算机,这就叫做“量子霸权”。虽然听起来很有震慑力,但“量子霸权”其实只是量子计算机发展的一个阶段,还没有达到最理想的状态。

目前,世界上的量子计算机研究大多是针对用某个特定的问题。例如我国这次研发出来的“九章”,就是专门用以解决玻色采样问题,这是常用来测试量子计算机优越性的热门问题。


量子计算机的理想状态则是通用量子计算机。这样的量子计算机将被用来解决任何可解的问题,在很多领域会得到广泛应用。然而,目前量子比特数还远远不够,纠错容错技术也不够完善,大大限制了计算能力。

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通用量子计算机是未来的研究方向 | 墨子沙龙

量子计算机最主要的优势,是可以对数据进行同时处理。目前,更多的应用仍然是对于特定难题的计算,而想在普通的使用中发挥它的优势,或许还有待漫长的探索。

参考文献:

[1] 陈明城. 实验光学量子计算[D].中国科学技术大学,2017.

[2] 方粮,刘汝霖,汤振森,隋兵才,池雅庆.量子计算机:量子算法与物理实现[J].计算机工程与科学,2012,34(08):32-43.

[3] 郭光灿,陈以鹏,王琴.量子计算机研究进展[J/OL].南京邮电大学学报(自然科学版),2020(05):1-8[2020-12-04].https://doi.org/10.14132/j.cnki.1673-5439.2020.05.002.

[4] 公众号:墨子沙龙, 经典和量子的算力之争: 中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑

[5] 魏世杰,王涛,阮东,龙桂鲁.量子算法的一些进展[J].中国科学:信息科学,2017,47(10):1277-1299.

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:Owl,小圆

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