量子计算机为何优秀

马迪

量子霸权之争也就是未来数字世界之争。

近几年“量子”这个词声名大噪。看到“量子”这个词，许多人第一反应就是把它理解成像原子、电子、质子一样的某种粒子。但事实上，量子只是物理学中的一个概念，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就说它是量子化的。也就是说，并没有某种粒子专门叫做“量子”！

量子听起来似乎很前沿，但对相关研究者来说，量子力学是个很古老的理论一已经超过了一个世纪。19世纪初期，科学家们发现很多物理现象无法用经典理论解释，尤其在微观层面，大部分现象都是量子力学出现后才能回答的。

1982年，美国著名物理学家理查德·费曼提出了利用量子效应进行计算的新奇想法，“自然是量子的，所以如果我们想要模拟它，我们就需要一台量子计算机”;1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子计算机能够完成对数运算，且速度远胜传统计算机;2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，基本符合了量子力学的全部本质特性。

首先我们要明确的一点是，无论是现在我们使用的传统计算机，还是尚未到来的量子计算机，都是用0和1二进制序列保存数据的。不同的是，传统计算机每比特非0即1，而在量子计算机中，量子比特可以处于即是0又是1的量子叠加态，因此可以进行高效率的并行计算。也就是说，量子计算机在实施一次的运算中可以对2的N次方个输入数据同时进行数学运算，相当于传统计算机要重复实施2的N次方次操作，或者采用2的N次方个不同处理器实行并行操作。

其实，我们只需要记住一点：量子计算是对传统计算的彻底颠覆，量子计算机成熟之日，就是传统计算机被淘汰之时。这也是它被称为“次世代计算机”的原因。

在传统计算机界，“摩尔定律”一直是金科玉律，即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番，算力增强一倍，这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限，这一定律已经放缓甚至面临失效。如果摩尔定律终结，在后摩尔时代，提高运算速度的途径显然就只剩量子计算机一途了。

20世纪90年代开始，美国就在这方面花大力气研究，在硬件、软件、材料各个方面投入巨大，多个科技巨头公司开始了量子计算的“军备竞赛”。

谷歌在量子计算领域的投入已经持续了13年的时间。2019年10月，其研究团队发表论文，表示研制出了一个由54个量子比特组成的处理器“Sycamore”。在执行一项随机数字采样的任务过程中，量子处理器在约200秒的时间内从量子电路中采集了100万个样本，而一台当代最尖端的超级计算机需要约1万年才能完成同样的任务。

研究团队认为，这标志着“量子霸权”（Quarltum Supremacy）的实现。有趣的是，老对手IBM很快公开发文，“炮轰”谷歌的“量子霸权”有缺陷，在传统计算机上模拟谷歌计算机的结果其实只需要2天半，根本用不了一万年。

霸权什么的听上去很唬人，其实与政治毫无关联。“量子霸权”长期以来被用于描述量子计算机发展的关键节点，指量子计算机能解决传统计算机无法解决的复杂难题，也就是展现其压倒性的优势。所以也有很多人说“Quantum Supremacy”应该被翻译成“量子优势”才更准确。

无论如何，Quantum Supremacy是量子计算机迈向实际运用的关键一步。

量子霸权之争也就是未来数字世界之争。在一个“算力为王”的互联网时代，量子计算技术一旦获突破，掌握这种能力的国家，会在经济、军事、科研、安全等领域崛起成为超级强国。

中国是这个领域的后来者，但进展迅速，可以说，在“第二次量子革命”的起步阶段，中国已经进入世界“第一阵营”。据统计，中国人的量子科研论文发表量排名全球第一、专利应用排名第二;2016年，中国研制的世界首颗量子实验卫星“墨子号”成功发射，并首次成功实现千公里级的星地双向量子通信;2017年，中国科技大学的相关团队宣称成功构建出世界上第一台光量子计算机，而且在全球首次实现了10个超导量子比特的高精度操纵……

總之，在量子计算机面前，复杂的宇宙模拟、航空航天、地震预测、天气预报、高能物理、化学模拟、药物研发、金融分析、加密通信等种种科学计算以及当下火热的AI应用所需的超强算力，都只是小菜一碟。虽然专家们都说，通用量子计算的实现可能至少需要10年甚至更长的时间，但正应了那句话：“所有人都在等待，所有等待都值得。”