前言

說到量子計(jì)算機(jī)的話，我們大家可能會(huì)比較陌生，我們一般都只是聽過普通電腦計(jì)算機(jī)，筆記本之類的，但是對(duì)于這一項(xiàng)高科技，量子計(jì)算機(jī)，我們卻知之很少！那么，我們量子計(jì)算機(jī)到底有多厲害呢？今天我們就來聊一下，量子計(jì)算機(jī)到底是什么？為何所有國(guó)家都爭(zhēng)相研發(fā)！

首先，我們來看一下，量子計(jì)算機(jī)到底為何物呢？讓我們一起走近量子計(jì)算機(jī)，揭開它神秘的面紗。

量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的裝置。不同於電子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算用來存儲(chǔ)資料的對(duì)象是量子位元，它使用量子演算法來進(jìn)行資料操作。馬約拉納費(fèi)米子反粒子就是自己本身的屬性，或許是令量子計(jì)算機(jī)的制造變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)關(guān)鍵。

量子電腦分別對(duì)傳統(tǒng)電腦的限制作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)的量子系統(tǒng)來描述，如二能級(jí)系統(tǒng)，量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的正變換。量子特性在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測(cè)精度等方面可能突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。

它與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的區(qū)別，因?yàn)閭鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)隨著處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加，要分解一個(gè)129位的數(shù)字需要1600臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作8個(gè)月，而要分解一個(gè)140位的數(shù)字所需的時(shí)間將是幾百年。但是利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，在幾秒內(nèi)就可得到結(jié)果，其運(yùn)算能力相當(dāng)于1000億個(gè)奔騰處理器。足以知道其巨大的威力了吧！

量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣分步進(jìn)行，而是同時(shí)完成，這樣就節(jié)省了不少時(shí)間，適于大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)隨著處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加，要分解一個(gè)129位的數(shù)字需要1600臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作8個(gè)月，而要分解一個(gè)140位的數(shù)字所需的時(shí)間將是幾百年。但是利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，在幾秒內(nèi)就可得到結(jié)果，其運(yùn)算能力相當(dāng)于1000億個(gè)奔騰處理器，運(yùn)算速度比現(xiàn)其次是用量子計(jì)算機(jī)可以對(duì)任意物理系統(tǒng)進(jìn)行高效率的模擬。

據(jù)報(bào)道，我國(guó)量子計(jì)算機(jī)研究取得突破性進(jìn)展，中國(guó)科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片。量子芯片相當(dāng)于未來量子計(jì)算機(jī)的“大腦”，可實(shí)現(xiàn)量子的邏輯運(yùn)算和信息處理。 “量子芯片”作為量子計(jì)算機(jī)的“大腦”，是體現(xiàn)和普通計(jì)算機(jī)差異的核心。目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)都開始對(duì)這一領(lǐng)域展開了研究，而中國(guó)也無疑已經(jīng)走在了前列。除高速之外，節(jié)能也是量子計(jì)算的另一大核心優(yōu)勢(shì)。理論上，量子計(jì)算的過程中是沒有能耗的，目前最先進(jìn)的D-Wave 量子計(jì)算機(jī)處理器只消耗1 微瓦，并且能耗不會(huì)隨著計(jì)算能力的提升而提升。

量子信息科學(xué)對(duì)保密通信和高性能計(jì)算給出了革命性的解決方案，人們可以利用量子密鑰分配實(shí)現(xiàn)基于量子力學(xué)原理的無條件安全密鑰分配。量子并行性又使得量子計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。近三十年量子信息領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù)飛速發(fā)展，量子密碼已成為商用化的保密技術(shù);谷歌等國(guó)際著名IT公司也己開始投資實(shí)用化的量子計(jì)算研究。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦表示，“量子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，一旦成功研發(fā)，就可以破解現(xiàn)在所有的密碼，另外它還可以解決大數(shù)據(jù)等等問題。雖然有種種困難，但是大家普遍認(rèn)為量子計(jì)算很快（10年）就能在人工智能領(lǐng)域發(fā)揮作用了。因?yàn)榱孔油嘶饳C(jī)Dwave可以在人工智能領(lǐng)域完全地發(fā)揮出量子計(jì)算功能。這也是Google建立Quantum AI Lab的主要原因。

在自然科學(xué)領(lǐng)域，量子計(jì)算可以很高效地模擬諸多自然過程，會(huì)成為相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的一大利器。所以用量子計(jì)算機(jī)模擬自然現(xiàn)象有著巨大的吸引力。這也就是為何所有國(guó)家都爭(zhēng)相研發(fā)的重要原因！

量子將如何改變我們的生活？

有人說，從電子計(jì)算機(jī)飛躍到量子計(jì)算機(jī)，無論生產(chǎn)、科研還是日常生活，世界將會(huì)經(jīng)歷一場(chǎng)顛覆性改變。通過量子計(jì)算機(jī)，我們可以把整個(gè)城市甚至整個(gè)地球上所有人的出行計(jì)劃全部輸入進(jìn)去，它就能瞬間設(shè)計(jì)出最佳出行路線，從而讓人們徹底告別交通擁堵。?中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說，在我們生活的宏觀世界里，物體的位置、速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，都可以通過牛頓力學(xué)精確地測(cè)算。但在量子微觀世界里，有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則。

量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里，任何一個(gè)物體在某一時(shí)刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里，量子卻同時(shí)處于多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。

量子力學(xué)的開創(chuàng)者之一、奧地利物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態(tài)疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

更為詭異的是，量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”。也就是說，如果你去測(cè)量一個(gè)量子，那么它就會(huì)從多個(gè)狀態(tài)、多個(gè)位置，變成一個(gè)確定的狀態(tài)和一個(gè)確定的位置了。如果你打開“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態(tài)就會(huì)消失，你會(huì)看到一只活貓或一只死貓。

如果說一個(gè)量子已經(jīng)很“奇怪”，那么當(dāng)兩個(gè)量子“糾纏”在了一起，那種不確定性連愛因斯坦都受不了了。根據(jù)量子力學(xué)理論，如果兩個(gè)量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會(huì)超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應(yīng)的變化。

而基于量子的疊加態(tài)與糾纏特性，量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為將是最具威力的量子信息應(yīng)用。此次亮相的多光子可編程量子計(jì)算機(jī)，就是探索之一。未來，其超級(jí)計(jì)算能力的實(shí)現(xiàn)，將為金融分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等大規(guī)模計(jì)算提供全新的方案。量子計(jì)算機(jī)還可以通過“模擬”，來解決科學(xué)研究中的一些未解之謎。

量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于大幅縮短提取用戶所需信息的時(shí)間，它可以在幾天內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)花費(fèi)數(shù)百萬年才能處理的數(shù)據(jù)，因此未來的應(yīng)用前景十分令人神往。

日前，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：在兩次測(cè)試中D-Wave2X的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度快1億倍。

經(jīng)過與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比較，谷歌稱已證明其量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算。

谷歌工程技術(shù)主管哈特馬特·納文表示，“這是一個(gè)值得我們歡欣鼓舞的結(jié)果，不過要將量子計(jì)算機(jī)帶入我們的日常生活，技術(shù)人員們要做的工作還有很多?！?/p>

讓計(jì)算速度“飛”起來

正如電影《異次元駭客》中演繹得那般，在科技發(fā)達(dá)的時(shí)代，科學(xué)家們可以通過強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)虛擬出一個(gè)城市，虛擬城市中的科學(xué)家又虛擬出一個(gè)城市。不管是第一層虛擬或者第二層虛擬，其中的人類生活得怡然自得，他們有思想，有感覺。沒有人去懷疑世界的真實(shí)性，完全不知道自己是個(gè)人工智能。

事實(shí)上，完成如此巨大模擬并不是一件容易的事情。一個(gè)人類個(gè)體本身所具有的全部特點(diǎn)、微小的變化以及本身細(xì)胞之間的各種間接的作用聯(lián)系，還有環(huán)境溫度、大氣變化等等將是一個(gè)難以估量的龐大數(shù)據(jù)，通用計(jì)算機(jī)將很難實(shí)現(xiàn)完全模擬，這就需要量子計(jì)算機(jī)來完成。

據(jù)來自蝌蚪五線譜的文章稱，人們研究量子計(jì)算機(jī)最初很重要的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是探索通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算極限。早在1982年，頗有遠(yuǎn)見的美國(guó)著名物理物學(xué)家理查德·費(fèi)曼在一個(gè)公開的演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的新奇想法。1985年，英國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型。理查德·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從而量子計(jì)算機(jī)的概念誕生了。

目前，我們所有的計(jì)算機(jī)體系都是基于馮諾依曼式的組織結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行速度的增長(zhǎng)已經(jīng)明顯放緩，對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析計(jì)算效率也很難再提高。量子計(jì)算的提出，則是旨在專門為復(fù)雜問題的求解設(shè)計(jì)一種全新的計(jì)算機(jī)體系，即所謂的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

谷歌日前宣布D-Wave量子計(jì)算機(jī)在解決問題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)都快出1億倍，并且能夠極大地推動(dòng)人工智能的進(jìn)步。據(jù)悉，谷歌此次宣布的重要佐證就是“量子退火”算法。這種算法確定了當(dāng)面臨一系列潛在解決方案時(shí)一個(gè)特定函數(shù)的全局極小值，即在給定一系列選項(xiàng)時(shí)，它能夠確定完成一個(gè)任務(wù)所需的最優(yōu)解決方案。谷歌對(duì)D-Wave計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算法與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上模擬量子隧道效應(yīng)的算法進(jìn)行了比較，量子計(jì)算機(jī)再次獲得了完勝。

基于量子計(jì)算的機(jī)器，由于體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，將采用全新的算法，這使得大規(guī)模數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲(chǔ)不再成為難題。業(yè)界人士認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的巨大突破將為云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理乃至整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域帶來一場(chǎng)變革。

并行計(jì)算是最大優(yōu)勢(shì)

其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理和薛定諤的貓是一樣的，利用的都是“量子疊加態(tài)”。這意味著計(jì)算機(jī)能同時(shí)嘗試所有可能的解，以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

按照傳統(tǒng)算法，當(dāng)用戶需要提取某一個(gè)詞組信息或者需要解決一個(gè)問題時(shí)，計(jì)算機(jī)要先把所有可能性列舉出來并驗(yàn)證一遍才能得到正確的信息，而量子計(jì)算機(jī)能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，也是量子計(jì)算機(jī)最重要的優(yōu)越性。

量子計(jì)算的神奇之處在于，它可以做到真正的并行計(jì)算與存儲(chǔ)。例如，一個(gè)數(shù)位的經(jīng)典存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)字0或者1，但在某一時(shí)刻這個(gè)數(shù)字要么是0要么是1；而對(duì)于量子比特存儲(chǔ)器來說，在同一時(shí)刻，它可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1，其存儲(chǔ)和運(yùn)行能力都成指數(shù)上升，一個(gè)250量子比特的存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的數(shù)字比我們已知宇宙所有的原子數(shù)還多。

想像一下，你被要求5分鐘內(nèi)在國(guó)會(huì)圖書館某一本書的某頁上找到一個(gè)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉?000萬冊(cè)書。但是如果你處于5000萬個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就是像瘋子一樣的那個(gè)你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)卻能將你復(fù)制出5000萬個(gè)，每個(gè)只需翻找一本書即可。

這是量子計(jì)算機(jī)公司D-Wave聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基對(duì)其應(yīng)用前景的解釋。谷歌和NASA聯(lián)合研究的量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)就是從這個(gè)公司購(gòu)買的。2013年，谷歌從D-Wave系統(tǒng)公司購(gòu)買了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，并與NASA共同開展量子計(jì)算機(jī)的研究項(xiàng)目。D-Wave系統(tǒng)公司自2007年推出首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)開始就備受爭(zhēng)議。一些學(xué)者認(rèn)為由于量子形態(tài)并不穩(wěn)定，量子計(jì)算機(jī)只是在理論層面可行。然而這次，谷歌和NASA一同證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的可操作性。

顛覆你未來的生活

谷歌宣布D-Wave2X的速度達(dá)到了傳統(tǒng)芯片的1億倍，實(shí)在是令人驚嘆。量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)莫過于大幅縮短提取用戶所需信息的時(shí)間，因此它被認(rèn)為可以在幾天里解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)花費(fèi)數(shù)百萬年時(shí)間才能處理的數(shù)據(jù)，未來的應(yīng)用前景十分令人神往。

現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)大多是基于探測(cè)數(shù)據(jù)的推測(cè)，很難保證準(zhǔn)確。但量子計(jì)算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會(huì)在何時(shí)何地出現(xiàn)。我們可以提前預(yù)測(cè)颶風(fēng)等極端天氣，從而預(yù)留足夠的時(shí)間拯救生命。

每天出行GPS可以幫你優(yōu)化出最佳線路，但如果有了量子計(jì)算機(jī)，我們可以把整個(gè)城市甚至整個(gè)地球上所有人的出行計(jì)劃全都輸入進(jìn)去，讓它計(jì)算出最優(yōu)解，從而讓人們徹底告別交通擁堵。

在研發(fā)藥物方面，量子計(jì)算機(jī)能夠描繪出數(shù)以萬億計(jì)的分子組成，并將其中最可能有效的組合快速識(shí)別出，顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。

在探索太空方面，量子計(jì)算機(jī)可以處理望遠(yuǎn)鏡視野中更多的數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，并迅速識(shí)別出最有可能存有生命體的行星。

盡管實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但各大公司對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究絕不會(huì)停止，因?yàn)樗茴嵏舱麄€(gè)世界。一旦計(jì)算速度出現(xiàn)質(zhì)的飛越，我們生活的方方面面都會(huì)被改變。

“落地”仍面臨諸多難題

既然量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)研制成功，那為什么現(xiàn)在還沒有普及呢？因?yàn)?，它的運(yùn)行條件要符合三個(gè)條件：真空環(huán)境、絕對(duì)零度和磁場(chǎng)保護(hù)。

量子力學(xué)是研究微觀尺度的科學(xué)，要想控制計(jì)算機(jī)的量子位，其實(shí)就是需要操縱單個(gè)原子，因此條件是非?？量?。原子在常溫下的速度高達(dá)到數(shù)百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態(tài)，才能受控制。所以量子計(jì)算機(jī)D-Wave2X處理器溫度一直穩(wěn)定在-273℃，只比宇宙絕對(duì)零度高0.015℃而已。

除此之外，量子計(jì)算機(jī)還要放到比地球磁場(chǎng)弱50000倍（基本相當(dāng)于沒有磁場(chǎng)）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當(dāng)于真空）的環(huán)境中，以保持量子態(tài)的穩(wěn)定。

除了對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際落地推廣方面也會(huì)遇到一些障礙。由于量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方法完全不同，因此編程的方式也完全不同并且更加復(fù)雜。這意味著，對(duì)于程序員來說，要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復(fù)雜的編程方式。

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)還有許多需要克服的技術(shù)問題，比如量子的不穩(wěn)定性決定信息狀態(tài)不穩(wěn)定，這將影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性。

事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難，但這并不能妨礙人們進(jìn)行大膽地探索與設(shè)想，也許不久的將來量子計(jì)算機(jī)就會(huì)出現(xiàn)在我們的生活中。

科學(xué)家嘗試用量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造時(shí)間旅行

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，如果宇宙允許開放類時(shí)曲線，那么旅行者就不可以通過時(shí)間旅行回到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，這樣的曲線無法與過去產(chǎn)生任何相互作用。目前科學(xué)家試圖利用量子信息驗(yàn)證這樣的能力，事實(shí)證明一個(gè)未打開的消息是非常有用的。如果實(shí)驗(yàn)者發(fā)送過去實(shí)驗(yàn)室的糾纏信息，未來是否能夠收到？糾纏是一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，只在量子物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)，它創(chuàng)造了時(shí)間旅行各系統(tǒng)之間的相關(guān)性，這些相關(guān)性可幫助量子計(jì)算。

谷歌的研究人員戴維·培根在10年前就提出可以利用量子計(jì)算機(jī)快速解決一批問題，廣義相對(duì)論可以通過時(shí)空扭曲創(chuàng)造封閉類時(shí)曲線，比如蟲洞。但物理學(xué)家認(rèn)為必須停止這樣的機(jī)會(huì)出現(xiàn)的，因?yàn)檫@會(huì)威脅到因果關(guān)系。一個(gè)經(jīng)典的例子是，一個(gè)人可以回到過去，殺死自己的祖父，否定自己的存在。

在過去的二十年內(nèi)，研究人員已經(jīng)在量子物理學(xué)領(lǐng)域嘗試著打破封閉類時(shí)曲線，因?yàn)榱孔泳哂心：院筒豢煽寺《ɡ?。新的研究表明，量子?jì)算機(jī)可以解決這類問題，即使我們沿著開發(fā)的類時(shí)曲線，也不會(huì)產(chǎn)生因果關(guān)系，這樣可以避免諸如祖父悖論情況出現(xiàn)。