12月4日，《科學(xué)》雜志公布，中國研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了對玻色采樣問題的快速求解，其計(jì)算速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍！ 量子計(jì)算機(jī)刷屏全網(wǎng)
網(wǎng)友們都為之驕傲欣喜 但一打開文章 大部分朋友看完都只能留下一地問號(hào)： “每個(gè)字我都認(rèn)識(shí)但……” “量子計(jì)算機(jī)為啥這么快？”
別擔(dān)心！ 這里有一份“小白”友好解疑書 深?yuàn)W的話咱們通俗地說 （本文不涉及任何理論公式和學(xué)術(shù)探討…… 因?yàn)樾【幰膊皇菍I(yè)的?。?/span> 01 量子計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)嗎？ 首先，用一句話來概括什么是量子計(jì)算機(jī)： 量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子力學(xué)的計(jì)算機(jī) ，它能比普通計(jì)算機(jī)更高效地執(zhí)行某些特定的計(jì)算。
所以說，量子計(jì)算機(jī)是一種計(jì)算機(jī)，但它不是簡單的“進(jìn)階版”計(jì)算機(jī)。 和我們現(xiàn)在所理解的“電腦”差別很大 ——兩者的計(jì)算形式不一樣。 舉個(gè)例子： 如果經(jīng)典計(jì)算機(jī)是蠟燭 ，量子計(jì)算機(jī)就是電燈泡 ，二者都是為了發(fā)光，但是點(diǎn)亮方式不同、照亮范圍也有區(qū)別。即使你不斷改良蠟燭，也做不出來電燈泡。
目前的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)使用的是不同的粒子 ，這次的“九章”使用的是光子。 200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。 “九章”量子計(jì)算機(jī)是如何通過量子計(jì)算達(dá)到“超快”的計(jì)算速度的？ 02 量子計(jì)算機(jī)如何“超快”計(jì)算？ 量子計(jì)算機(jī) 的“龐大儲(chǔ)存量” 首先來看一下，經(jīng)典計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存方式↓ 經(jīng)典計(jì)算機(jī) 用一系列的0和1 來存儲(chǔ)信息。0和1系列中的每個(gè)單位被稱為比特，一比特可以被設(shè)置為0或1。 量子計(jì)算機(jī) 量子計(jì)算機(jī)用量子比特 來存儲(chǔ)信息。每個(gè)量子比特不僅能設(shè)置為1或0 ，還可以設(shè)置為1和0 。 可以簡單理解為，量子計(jì)算機(jī)每個(gè)單位儲(chǔ)存的信息更多。 這究竟是什么意思呢？ 舉個(gè)例子??： 請你想一個(gè)1到10之間的數(shù)字，然后用一只手表示出來。一只手每一次只能表達(dá)一個(gè)數(shù)字 。 這就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的根本規(guī)律。只不過計(jì)算機(jī)比我們的手指頭更快，但它的一個(gè)比特位，仍然只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。 但是，如果換成量子計(jì)算機(jī)，那表達(dá)數(shù)字的方式立即就被顛覆了 。 再比如，一只手能表達(dá)出10個(gè)數(shù)字。但手伸出來之前，會(huì)表示哪個(gè)數(shù)字，是不確定的。 這正是量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元——量子比特， 的存儲(chǔ)方式。它儲(chǔ)存的不是具體的數(shù)據(jù)，而是所有可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)的出現(xiàn)概率。 手在伸出之前都具有不確定性。但量子比特將所有可以用這只手表達(dá)的數(shù)字，全部都疊加 在一起了。你只用了一只手，就存儲(chǔ)10個(gè)不同的數(shù)字，每個(gè)數(shù)字出現(xiàn)的概率都是10%。
一只手能表達(dá)出的數(shù)字很有限，同時(shí)存儲(chǔ)10個(gè)數(shù)字，算不上什么神奇的事情。但不斷擴(kuò)大，10只手、100只手，都能夠全部疊加儲(chǔ)存 到量子比特中，這就是量子比特的威力所在。
量子計(jì)算機(jī)因而能夠同時(shí)承載更多內(nèi)容。普通的計(jì)算機(jī)單元一次只能處理一個(gè)比特；量子計(jì)算機(jī)則可以一次處理 1 個(gè)“量子比特”，從而使處理速度大大提升。 量子世界本質(zhì)上是平行的 量子計(jì)算機(jī)不光有強(qiáng)大的儲(chǔ)存能力，它的并行計(jì)算的能力也十分強(qiáng)大。就像在房間內(nèi)開燈，光可以在一瞬間穿過墻壁上的所有縫隙。量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高速并行的量子計(jì)算，就是這個(gè)原理。
舉個(gè)例子??： 假設(shè)有一個(gè)黑盒子，左邊伸出1000根電線頭，右邊也伸出1000根電線頭，但其實(shí)只有1根電線是連通 的，請問，你該如何找到這根連通的電線呢？ 答案需要嘗試1000×1000次，也就是要100萬次 才能找到答案。 但如果用量子計(jì)算機(jī)解決這個(gè)問題，就簡單多了。
△量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過程 剛剛我們說過，量子比特的存儲(chǔ)是所有可能的數(shù)字疊加在一起存儲(chǔ)的。那么從1到1000，其實(shí)就只是一組量子比特而已。也就是說，只需要一次計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)就同時(shí)把所有的可能都考慮進(jìn)去了。它可以一次性地找到那根連通的電線。通過并行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了100萬倍的效率提升。 這量子計(jì)算機(jī)到底怎么算，你看（mei）懂（kan）了（dong）嗎？ 03 為何“九章”如此重要？ “九章”的問世是我國在量子科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的又一飛躍，它的意義是多方面的。
首先是在計(jì)算機(jī)、IT和數(shù)學(xué)領(lǐng)域， 如實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，在某個(gè)特定問題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超現(xiàn)有最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。此外，它還可以通過量子計(jì)算機(jī)建立量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)等。
其次，在實(shí)用性上 ，量子計(jì)算機(jī)有廣闊的空間和范圍，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)等，都可以獲得量子計(jì)算機(jī)的支持，從而解決重大的國計(jì)民生問題，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。正如有科學(xué)家預(yù)言，量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛使用，甚至每個(gè)人都可以使用。
同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，會(huì)為人工智能加持 ，從而減少AI應(yīng)用方面的錯(cuò)誤，并創(chuàng)造出允許早期診斷問題的智能系統(tǒng)。
值得一提的是，它還與藥物研發(fā)息息相關(guān) 。如果運(yùn)用量子計(jì)算機(jī)，只要其計(jì)算速度快過經(jīng)典計(jì)算機(jī)100~1000倍，就有可能讓篩選藥物前期分子的效率提高到90%以上，費(fèi)用也更為減少。不過，能否獲得真正有效的藥物分子，還要看后期的生物實(shí)驗(yàn)。 此外，量子計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算還有平常卻廣泛的運(yùn)用 。例如，送貨車如何選擇最有效率的路線送貨，可以借助量子計(jì)算機(jī)的幫助。這也絕非“大材小用”。 04 量子計(jì)算離實(shí)用還有多遠(yuǎn)？ 對于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域內(nèi)的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：
第一階段， 對于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中“量子計(jì)算優(yōu)越性” 的里程碑。 第二階段， 研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī) ，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等）。 第三階段， 研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī) 。 經(jīng)典計(jì)算機(jī)從專用機(jī)發(fā)展到通用機(jī)，走過了幾十年歷程，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)就還處在最早期的專用機(jī)時(shí)代。就算是最快的“九章”，也只跨越了第一階段。但不可否認(rèn)，“九章”的問世是一個(gè)巨大的鼓舞，未來可期。 量子時(shí)代，你期待嗎？
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