林寬雨

2023年10月，中國科學(xué)家宣布成功構(gòu)建了255個光子的光量子計算原型機“九章三號”，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級計算機快1億億倍，確立新的算力里程碑。

“九章三號”的成功問世，讓量子計算機再度受到廣泛關(guān)注。今天，我們就來聊聊量子計算機，讓大家對這種距離我們生活還比較遙遠(yuǎn)的計算機有更多的了解。

簡單地說，量子計算機就是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的計算機。雖然也是計算機家族的一員，但是量子計算機和我們熟悉的傳統(tǒng)計算機在計算速度上的差異非常大。如果將傳統(tǒng)計算機的計算速度比作自行車的騎行速度，那么，量子計算機的計算速度相當(dāng)于飛機的飛行速度。

看到算力如此恐怖的量子計算機，傳統(tǒng)計算機如果像人一樣會思考，它可能會問出一個很多人都很好奇的問題：量子計算機為何如此之強？

要回答這個問題，可以從傳統(tǒng)計算機處理數(shù)據(jù)的最基本單元——比特說起。比特就像一個開關(guān)，可以通過阻攔或允許電力通過，產(chǎn)生二進制的單元信息。如果我們規(guī)定這個開關(guān)斷開時表示“0”，閉合時表示“1”，那我們就可以用這個開關(guān)表示“0”和“1”兩種情況，不過這個開關(guān)一次只能表示一個數(shù)。量子計算機處理數(shù)據(jù)的最基本單元是量子比特，我們也可以把它想象成一個開關(guān)，并同樣規(guī)定斷開時表示“0”，閉合時表示“1”。雖然也是表示“0”和“1”兩種情況，但是因為量子疊加態(tài)的存在，量子比特開關(guān)一次就能表示“0”和“1”這兩個數(shù)，這種疊加態(tài)讓量子計算機擁有了并行計算的能力，其算力會隨著量子比特數(shù)量的增多呈指數(shù)增長。

舉個例子，假如我們想對表示開關(guān)通、斷的兩個數(shù)進行加法運算，傳統(tǒng)開關(guān)因為一次只能表示一個數(shù)，所以需要計算兩次；而量子開關(guān)因為既表示“0”，也表示“1”，所以只需要計算一次就能得到兩個結(jié)果。當(dāng)開關(guān)的數(shù)量增加到N個時，量子開關(guān)可同時表示2n種狀態(tài)，而傳統(tǒng)開關(guān)依然只能表示一種狀態(tài)，這時如果再進行加法運算，傳統(tǒng)開關(guān)需要計算2n次，而量子開關(guān)還是一次就能完成所有加法運算。

需要說明的是，盡管量子計算機擁有非?？植赖挠嬎隳芰Γ撬⒉皇峭耆珡娪趥鹘y(tǒng)計算機，因為量子計算機想展示自己的出色算力，通常需要滿足兩個條件：一是這個問題適合采用量子計算機進行運算處理；二是這個問題也能用傳統(tǒng)計算機進行運算處理，只是對傳統(tǒng)計算機而言過于復(fù)雜。概括起來就是，量子計算機只在特定問題的運算上完全碾壓傳統(tǒng)計算機。

盡管量子計算機還只能在特定問題求解上使用，但是它展現(xiàn)出的強大計算能力還是讓人驚嘆。如此優(yōu)秀的計算機究竟是如何誕生的呢？這個問題還要從20世紀(jì)80年代說起。

1981年5月，諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費曼在一次演講中提到兩個有關(guān)量子的問題：經(jīng)典計算機能否模擬量子系統(tǒng)？利用具有奇特性質(zhì)的量子材料，能否建造出模擬量子系統(tǒng)的計算機？這兩個具有前瞻性的問題，讓更多的人關(guān)注量子計算并投入相關(guān)研究中。隨著研究的深入，人們越發(fā)感覺量子計算具有重要意義，一場關(guān)于量子計算機的競賽悄然展開。在過去的10多年里，包括谷歌、IBM、微軟等在內(nèi)的多家大公司都在互相較勁兒。2013年，谷歌建立了量子人工智能實驗室，致力于通過超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)量子計算；2017年， IBM宣布制造出50個量子比特的芯片；2019年，微軟發(fā)布Azure Quantum量子服務(wù)……量子計算機在人們的努力研究下變得越來越出色。

在國外新型量子計算機不斷涌現(xiàn)的同時，我國在量子計算機研究領(lǐng)域也是屢創(chuàng)佳績。2023年10月，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作構(gòu)建的光量子計算原型機“九章三號”成功問世。

作為中國量子計算機家族的最新代表，“九章三號”在算力方面的表現(xiàn)更為優(yōu)秀?！熬耪氯枴睋碛胁倏v255個光子的能力，其處理某特定問題的速度比它的前輩“九章二號”快了100萬倍。它在1微秒（百萬分之一秒）時間內(nèi)處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前超級計算機家族的最優(yōu)秀成員——美國的“前沿”超級計算機花費超過200億年的時間來處理。

可以說，不論是對比其他計算機家族的成員還是自己的前輩，“九章三號”在算力上都已遙遙領(lǐng)先。

因為擁有異常優(yōu)秀的算力，未來的量子計算機會在很多需要大量計算的領(lǐng)域被委以重任，比如：

破譯密碼

現(xiàn)代公開密鑰加密的主要方式是利用數(shù)學(xué)上難解的計算問題生成一對密鑰，一個是加密密鑰，一個是解密密鑰。因為通過加密密鑰推算解密密鑰的計算量很大，在有限的計算資源和時間內(nèi)很難實現(xiàn)，所以密碼的安全性能夠得到保障。但是，在量子計算機面前，原本安全的密碼可能就不那么安全了，憑借強大的計算能力，量子計算機或許能輕松地推算出解密密鑰。

助力人工智能

當(dāng)今社會，得到大力發(fā)展的人工智能已經(jīng)在我們的日常生活中得到很多應(yīng)用，科學(xué)家也在努力讓人工智能變得更聰明。然而，在人工智能快速發(fā)展的道路上存在一些“攔路虎”，計算機算力短缺就是其中之一。量子計算機如果能順利實現(xiàn)商用，憑借其強大的算力，一定會讓人工智能的智能程度更上一層樓，為我們的生活帶來更多精彩。

進軍醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

未來的量子計算機在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也可能得到重用。在藥物的研發(fā)階段，需要借助計算機進行一些篩選工作，如果量子計算機能代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算機從事這項工作，篩選效率一定會得到大幅度提升。

除了以上幾方面，未來的量子計算機還有望在天氣預(yù)報、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、金融分析等需要強大的計算機算力的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

需要說明的是，想讓量子計算機在上述領(lǐng)域大顯身手，還需要耐心等待。

在2019年安徽省合肥市舉辦的新興量子技術(shù)國際會議上，科學(xué)家將量子計算機的發(fā)展劃分成了3個階段：第一階段，讓量子計算機擁有強大實力，針對特定問題的算力超越經(jīng)典計算機；第二階段，讓量子計算機具有實用價值，在量子化學(xué)、機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域嶄露頭角；第三階段，讓量子計算機進化成可編程的通用量子計算機，在密碼破譯、人工智能等領(lǐng)域大顯身手。

目前，“九章三號”也只是處于第一階段向第二階段跨越的階段，距離最終實現(xiàn)通用的目標(biāo)還有很長的路要走。希望未來的量子計算機能如科學(xué)家計劃的那樣發(fā)展下去，早日實現(xiàn)通用，為我們的生活增添更多色彩。

（責(zé)任編輯：白玉磊）