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量子计算机有多快?研发才刚起步 未来可期

虽然无数次听过量子计算机的大名,但就像所有带“量子”两字的概念,人们大多不甚了然。

量子计算机的概念1980年代提出,投入研发20年,迄今还没有一台真正走出实验室。但传说它(将来会)很厉害。谷歌、IBM、阿里巴巴和许多初创公司在竞争,想第一个实现“量子霸权”,也就是让量子计算机在一个计算任务中快过传统计算机。


量子计算机:量子版的计算机

“别把量子计算机想成全新的系统,它就是经典计算机的扩展版,处处模仿经典计算机。”安徽问天量子科技股份有限公司首席科学家、中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室韩正甫教授告诉记者。

韩正甫说,经典计算机以电压高低代表数字1或0,即为一比特(bit)。

而量子计算机里对应的是量子比特(Q-bit),那可能是自旋箭头向上或向下的一个电子,也可能是“立直振动”或“躺平振动”的光波……

传统计算电路由各种“逻辑门”组成,对应的就是量子计算机的各种“量子逻辑门”。都是根据一定的规则,变化存储位的0和1。

量子计算机不同之处,是丘比特(Q-bit)特别灵活,没bit那么死板。它同时是0和1。比如:它是六成的0和四成的1。这让它有了超能力。学过一点量子力学才能理解Q-bit的奥妙。


模糊又精确的Q-bit

什么叫“它是六成的0和四成的1”呢?

补习一下高中物理:20世纪初的实验发现,物质细小到极限,就无法被准确测量。因为测量意味着干涉,哪怕你只看一眼。当对象微小到了量子级别,它的状态会被观测彻底破坏。(顺便一说,“一触即溃”的效应被用于量子通信。用量子来承载密码,可以做到有人窃听这个密码信号,一定会被发觉。)这就叫“测不准原理”。东西越小,就越显得模糊。你去测量一个电子的位置,这次测出来在北京,下次测出来在天津。我们只能说一个量子“大概率在北京”,“大概率自旋箭头冲上”,“大概率平躺着振动”……

这些概率,是可以多次测量确定的,虽然单次测量的读数不一定。

所以量子比特是模糊的也是精确的:同一个数时而读出0,时而读出1;但多次去读,出现0的概率会趋于一个定值,比如说60%。


为什么量子计算更快?

“在传统计算机里,一个高电压叠加另一个高电压,仍然是一个高电压;量子比特的叠加则不同。”韩正甫说。

量子比特存储的是一个矢量,就好像一个时钟,时针对应着概率。

时针可以指向零点(量子比特读数100%是0),或指向三点(读数100%是1)。或指向一点半(50%是0,50%是1),或指向任意一个角度。

传统计算机存储的是“10011001”。

量子计算机存储的是“钟钟钟钟钟钟钟钟”。(请自行想象酒店大堂挂的一排钟表)

传统计算中,1和0叠加为1,再叠加一个1,得到0。

量子计算中,“三点”和“零点”叠加为“一点半”,再叠加“三点”,得到的是“两点一刻”。

比起bit,Q-bit更有表现力。一个Q-bit可蕴含无限复杂的数字。在这个意义上“以一抵多”。一个Q-bit投入变换,等于多位数字一起变换,即所谓“并行计算”。

并行计算潜力发挥到极限的情况下,量子计算机的算力比起传统计算机,是2^n∶1。

但要强调的是: 量子计算机的结果来自概率统计。量子计算机与传统不同,它要一次次重复程序,一次次地读数(每次结果都不一样)。周而复始,足够多次(让概率的可信度超过99.99999%)后,统计出各量子位为1和0的比例,那才是需要的数字。所以碰上不太复杂的计算任务,量子计算可能比经典计算机更慢。


彩虹与斑马

有量子计算机之前,数学家就在畅想利用量子比特的“丰富内涵”大大缩减计算时间。不过迄今数学家只证明在两种场景中,量子计算大大快于传统计算机。

首先是破解RSA算法。RSA是现在最常用的加密方法,其机理是利用因数分解的困难——把两个大质数相乘很简单,而把乘积拆成两个质数,计算机可能得算几万年。

所以银行可以公开发送一个几千位的数字,并掌握它的两个质因数,而不担心有人算出这两个质因数——用于制造私有的数字钥匙。

但二十多年前Peter Shor证明一种基于量子计算机的算法,可以轻松分解因数,这也让学界研发量子计算机的兴趣大增。

另一种可能的应用是“搜寻未排序的大数据库”,或者叫“大海捞针”。传统计算机只能一个一个比对目标,而量子计算机则可以并行计算。传统计算机用时是T的话,量子计算机用时是“根号T”。前者要花费1百万小时的任务,后者一千小时就能解决。

如果说传统的存储器是斑马,量子存储器里就是彩虹。世界是多彩的,用彩虹去描绘世界,当然更直接,更便捷。


才刚起步

量子很脆弱,动不动就会崩溃。

各种量子载体都伴随着独特的困难,比如光子时刻前进,电磁场又左右不了它,操控起来很麻烦。目前研究者大概在实验几十种载体:电子、光子、陷阱里的离子……

目前各大公司和研究机构仍在提升量子比特量——争取几十个量子同时稳定,别太快塌陷。超导机器为了让环境接近绝对零度,成本高达成百上千万美元。工程实验机在进步,但几时走到实用还不知道。

回顾1946年第一台计算机ENIAC,用了18000个电子管,那是一种抽成真空电子飞行其中的玻璃管。ENIAC重30吨,每秒钟仅计算5000次。没有十多年后的半导体革命,就谈不上今天的电脑和手机。

应该说,量子计算机刚进入它的“电子管时代”。



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