量子計算機今天刷屏了——中國研究團隊構(gòu)建的量子計算機“九章”，實現(xiàn)了對玻色采樣問題的快速求解，其計算速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍！

“九章號”的部分光路結(jié)構(gòu)

不過，大部分朋友看完都只能留下一句話：“每個字我都認(rèn)識但……”別擔(dān)心，AI準(zhǔn)備了一份小白友好的說明書。什么是量子計算機？量子計算機為什么厲害？量子霸權(quán)又是什么？你都能在這里找到看得懂的答案。

是，但和我們現(xiàn)在所理解的“電腦”差別很大——兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關(guān)進(jìn)行計算，而量子計算機則是以量子的狀態(tài)作為計算形式。

我們?nèi)粘Ｓ玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉(zhuǎn)換成1和0（在電路中則表達(dá)為“開”和“關(guān)”），再進(jìn)行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱為“計算機”。

世界上第一臺電子數(shù)字計算設(shè)備：阿塔納索夫-貝瑞計算機|WikimediaCommons

量子計算機則以量子的狀態(tài)作為計算形式。目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，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。

傳統(tǒng)的數(shù)字電路只有0或1兩種選擇，量子計算機使用的粒子則能夠同時處于多種狀態(tài)。

以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態(tài)，這種偏振態(tài)可以表示除了0與1之外的多組信息，量子計算機因而能夠同時承載更多內(nèi)容。

自然光在各個方向上振動（如2），通過“偏振片”（如3）的過濾后，僅留下特定方向振動的“偏振光”（如4）|WikimediaCommons

超級計算機也以處理速度快而著稱，但它與量子計算機不一樣。超級計算機本質(zhì)上還是以傳統(tǒng)計算機二進(jìn)制（0與1）為基礎(chǔ)的，運算速度依然受限于電路的性能，而量子計算機完全屬于另一個體系。

正如上面所說的，量子計算機最大的特點就是計算速度快，太快了。

舉個例子，小學(xué)的時候都學(xué)過質(zhì)因數(shù)分解，例如6可以分解為2和3兩個質(zhì)數(shù)；但如果數(shù)字很大，質(zhì)因數(shù)分解就是一個很難的數(shù)學(xué)問題。

大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解是許多安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于此的加密算法——例如RSA算法，則可能會因為量子計算機的研制成功而被攻破。

量子計算機本身就是一套“系統(tǒng)”，獨立的光學(xué)組件提供了硬件，復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)則決定了它的“算法”。

例如，以光子作為量子比特的量子計算機，需要能夠產(chǎn)生光子的單光子源，能夠改變光子狀態(tài)、完成“算法”的特定光路結(jié)構(gòu)，還需要單光子探測器對光子的最終狀態(tài)進(jìn)行觀測。

光量子計算機原型圖|墨子沙龍

不過，對于量子計算機的控制，仍然需要通過普通電腦進(jìn)行信息的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在普通電腦上輸入初始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在量子計算機控制系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運算，最后得到的結(jié)果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。

量子計算機的實際操作過程|參考文獻(xiàn)[3]

雖然聽起來很有震懾力，但“量子霸權(quán)”其實只是量子計算機發(fā)展的一個階段，還沒有達(dá)到最理想的狀態(tài)。

量子計算機的理想狀態(tài)則是通用量子計算機。這樣的量子計算機將被用來解決任何可解的問題，在很多領(lǐng)域會得到廣泛應(yīng)用。

然而，目前量子比特數(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，糾錯容錯技術(shù)也不夠完善，大大限制了計算能力。

通用量子計算機是未來的研究方向|墨子沙龍

量子計算機最主要的優(yōu)勢，是可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行同時處理。目前，更多的應(yīng)用仍然是對于特定難題的計算，而想在普通的使用中發(fā)揮它的優(yōu)勢，或許還有待漫長的探索。

參考文獻(xiàn)

[1]陳明城.實驗光學(xué)量子計算[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2017.

[2]方糧,劉汝霖,湯振森,隋兵才,池雅慶.量子計算機:量子算法與物理實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué),2012,34(08):32-43.

[4]公眾號：墨子沙龍,經(jīng)典和量子的算力之爭：中國科學(xué)家實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑

[5]魏世杰,王濤,阮東,龍桂魯.量子算法的一些進(jìn)展[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2017,47(10):1277-1299.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的看完这篇 终于可以和别人聊量子计算机了！的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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