九章“问世”了你知道什么是量子计算机吗？

2020-12-06

12月4日，《科学》杂志公布，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！

量子计算机刷屏全网

网友们都为之骄傲欣喜

但一打开文章

大部分朋友看完都只能留下一地问号：

“每个字我都认识但……”

“量子计算机为啥这么快？”

别担心！

这里有一份“小白”友好解疑书

深奥的话咱们通俗地说

（本文不涉及任何理论公式和学术探讨……因为小编也不是专业的！）

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量子计算机是计算机吗？

首先，用一句话来概括什么是量子计算机：

量子计算机是一种使用量子力学的计算机，它能比普通计算机更高效地执行某些特定的计算。

所以说，量子计算机是一种计算机，但它不是简单的*“进阶版”计算机。*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。

举个例子：

如果经典计算机是蜡烛，量子计算机就是电灯泡，二者都是为了发光，但是点亮方式不同、照亮范围也有区别。即使你不断改良蜡烛，也做不出来电灯泡。

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。

200秒只是短短一瞬，6亿年早已是沧海桑田。

“九章”量子计算机是如何通过量子计算达到“超快”的计算速度的？

量子计算机如何“超快”计算？

量子计算机**的“庞大储存量”

首先来看一下，经典计算机与量子计算机的储存方式↓

经典计算机

用一系列的0和1来存储信息。0和1系列中的每个单位被称为比特，一比特可以被设置为0或1。

量子计算机

量子计算机用量子比特来存储信息。每个量子比特不仅能设置为1或0，还可以设置为1和0。

可以简单理解为，量子计算机每个单位储存的信息更多。

这究竟是什么意思呢？

举个例子：

请你想一个1到10之间的数字，然后用一只手表示出来。一只手每一次只能表达一个数字。

这就是经典计算机存储数据的根本规律。只不过计算机比我们的手指头更快，但它的一个比特位，仍然只能存储一个二进制数。

但是，如果换成量子计算机，那表达数字的方式立即就被颠覆了。

再比如，一只手能表达出10个数字。但手伸出来之前，会表示哪个数字，是不确定的。

这正是量子计算机的存储单元——量子比特的存储方式。它储存的不是具体的数据，而是所有可能出现的数据的出现概率。

手在伸出之前都具有不确定性。但量子比特将所有可以用这只手表达的数字，全部都叠加在一起了。你只用了一只手，就存储10个不同的数字，每个数字出现的概率都是10%。

一只手能表达出的数字很有限，同时存储10个数字，算不上什么神奇的事情。但不断扩大，10只手、100只手，都能够全部叠加储存到量子比特中，这就是量子比特的威力所在。

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比特；量子计算机则可以一次处理1个“量子比特”，从而使处理速度大大提升。

量子世界本质上是平行的

量子计算机不光有强大的储存能力，它的并行计算的能力也十分强大。就像在房间内开灯，光可以在一瞬间穿过墙壁上的所有缝隙。量子计算机能够进行高速并行的量子计算，就是这个原理。

举个例子：

假设有一个黑盒子，左边伸出1000根电线头，右边也伸出1000根电线头，但其实只有1根电线是连通的，请问，你该如何找到这根连通的电线呢？

答案需要尝试1000×1000次，也就是要100万次才能找到答案。

但如果用量子计算机解决这个问题，就简单多了。

△量子计算机的实际操作过程

刚刚我们说过，量子比特的存储是所有可能的数字叠加在一起存储的。那么从1到1000，其实就只是一组量子比特而已。也就是说，只需要一次计算，量子计算机就同时把所有的可能都考虑进去了。它可以一次性地找到那根连通的电线。通过并行计算，实现了100万倍的效率提升。

这量子计算机到底怎么算，你看（mei）懂（kan）了（dong）吗？

为何“九章”如此重要？

“九章”的问世是我国在量子科技领域实现的又一飞跃，它的意义是多方面的。

*首先是在计算机、IT和数学领域，*如实现“量子计算优越性”，在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机。此外，它还可以通过量子计算机建立量子通信网络和量子互联网等。

其次，在实用性上，量子计算机有广阔的空间和范围，如密码破译、大数据优化、材料设计等，都可以获得量子计算机的支持，从而解决重大的国计民生问题，并产生巨大的经济价值。正如有科学家预言，量子计算机会被广泛使用，甚至每个人都可以使用。

同时，量子计算机的发展，会为人工智能加持，从而减少AI应用方面的错误，并创造出允许早期诊断问题的智能系统。

值得一提的是，它还与药物研发息息相关。如果运用量子计算机，只要其计算速度快过经典计算机100~1000倍，就有可能让筛选药物前期分子的效率提高到90%以上，费用也更为减少。不过，能否获得真正有效的药物分子，还要看后期的生物实验。

此外，量子计算机的快速运算还有平常却广泛的运用。例如，送货车如何选择最有效率的路线送货，可以借助量子计算机的帮助。这也绝非“大材小用”。

量子计算离实用还有多远？

对于量子计算机的研究，本领域内的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

**第一阶段，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”**的里程碑。
第二阶段，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。
第三阶段，研制可编程的通用量子计算原型机。

经典计算机从专用机发展到通用机，走过了几十年历程，现在的量子计算机就还处在最早期的专用机时代。就算是最快的“九章”，也只跨越了第一阶段。但不可否认，“九章”的问世是一个巨大的鼓舞，未来可期。