张礼立 ： 中国 “九章”量子计算机到底厉害在哪？

对我而言，没学过量子力学，也不是量子计算的专家，但多少对这个话题还是非常感兴趣的，毕竟，数字和信息科技的工作中，很多时候也离不开对量子计算有些讨论和学习。 今天周末，我想就借着这个重大的突破事件，和大家聊聊，我眼中的量子计算，不成熟，不正确的地方，还请大家多多教正。现在，我们把房间里灯光比作量子粒子的话，您可以想象，量子粒子，可以在一瞬间，且同时穿过墙壁上所有的洞。所以，量子计算机能够进行高速并行的量子计算，远比传统的计算机有效，就是这个原理。

【背景信息】12月4日，《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破。 这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机，推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。尽管距离实际应用仍有漫漫长路，但成功实现了“量子计算优越性”（国外也称之为 “量子霸权”）的里程碑式突破。

#1. 量子计算要比传统计算机快多少？

据悉，“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年。 这个说法不太好理解，到底“九章”到底有多快？ 我们从 “超级计算机”有多快说起。 “超级计算机”多年前就基本可以实现比我们的家用电脑要快个上千万倍，计算速度差不多也是光速的300多万倍。 您可以简单理解，量子计算就是“瞬间”就完成的事。

潘建伟教授对此表示，光量子计算机可实现的算法称为「玻色取样」，这是在经典计算机上很难有效求解的。如果要将两者作对比的话，利用万亿次经典计算机分解300位的大数，需15万年，而万亿次量子计算机只需1秒即可出结果。

到底多快，就是“瞬间”。

#2. 量子计算这么快的原理是啥？

量子计算快的奥秘是因为：量子世界本质上是平行的

举个例子。 假设我们身处在一个房间里，一堵墙上有2个裂缝。 当您打开电灯的时候，光会瞬间穿过墙壁上的两个裂缝。对，是一瞬间的事情 ！现在，假设您面前的一堵墙上有 n 个裂缝，那么，打开灯后，灯光就会瞬间穿越所有墙壁上的裂缝。

了解量子计算的“超级并行”下的“瞬间”快，我们再回过头来看现在的通用计算机做个简单的比较。 现在的计算机，其原理就是利用晶体管，控制电平的高低，来表达0或1，而每个晶体管就是一个比特。所有晶体管通过比特电路的串连，计算也只好是一步一步进行。要提高运算速度，那就要突破单位面积内的晶体管数，晶体管数量越多运算能力也就越强。

#3. 那么量子计算有啥用？

有很多朋友也关心，量子计算的作用。简单来讲，现在量子计算还是处于起步的阶段，虽然有突破，但离开通用还有相当的距离，但是，对人类的未来却是意义非凡。

我们使用计算机已经有几十年了，发展也是异常迅猛。 作为地球上最智能的物种，我们正目睹着比人类更为智能的、新的人工智能的出现 ！ 而这一切都似乎与摩尔定律所描述的计算力、互联网和物联网的数据爆发性增长以及区块链为代表的生产关系智能算法，这三点的快速发展离不开。

我们现在正处在人类历史的特殊时代。目前泛计算机与生物之间可能已经有些个突破口出现了。显然，人工智能的快速发展，包括神经网络、基因分析、大脑仿真、精准医学以及生物和生命科学等都需要数据以及对难以想象的数据需要强大而快速的计算能力，因为算力就是战斗力，而量子计算的强大在于能够提供强大的算力。

未来的通用型量子计算机，可基于非凡的并行计算能力实现金融市场分析预测、道路交通优化、溯源全链密码分析、加速新药研制等现实应用。这时候，就是量子计算和人工智能就会结合，实现人机共生的局面。

再深入一层，我们如果物理学来看世界，自然的根本是“量子”。今天，如果我们人类希望想用计算机模拟自然，要完全实现实现智能，量子的计算机估计是唯一办法了。当然，也要认识到量子计算是一种计算设备，是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。

#4. 量子计算的挑战？

量子计算机是一类遵循物理量子力学规律，可以帮助我们人类进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置，因此，一定有自身的发展挑战。

首先量子比特是相当脆弱的，信息难以保存，微弱的环境噪音就可以毁灭量子特性。因此，能找到任何途径，能实现量子比特在传输可不受环境的干扰和影响，发挥作用，那就是突破了。其次，特别是在如何大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级）的研究上是个大的挑战。

#5. 量子计算离开我们普通应用还有多远？

基本量子计算的发展分为三个阶段，现在已经走完第一阶段。

第一阶段，就是谷歌实现的量子霸权，即针对一些特殊问题，造出一台比目前计算机更快的量子计算机，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，希望能够对几百个量子比特，实现一种专用的量子模拟机，用于高温超导机制、特殊材料设计等目前计算机无法处理的问题第三阶段就是争取造出可编程的通用量子计算机。

量子霸权这个词的发明人 John Preskill 在 2012 年提出量子霸权这个概念的时候问过自己，大规模量子计算究竟是非常非常困难，还是不可思议的困难？前者意味着还有几十年的路要走，后者意味着可能还要几个世纪。 今天中国“九章”的重大突破应该是给出了答案。

科学的最高志向从来就是简单和普世。未来，我们把量子计算、人工智能和区块链结合在一起，或许我们人类真的可以孕育出新物种了。相信，未来世界属于量子生命，让我们共同期待。

请让我们一起，向科学家们致敬 ！