潘瑩瑩

(清華大學(xué)附屬中學(xué)永豐學(xué)校)

2021年10月底，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)傳來了一個(gè)重磅消息，“祖沖之二號(hào)”與“九章二號(hào)”打破了量子計(jì)算機(jī)紀(jì)錄，中國成為世界上有且僅有的在雙物理體系上實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家.

其中“祖沖之二號(hào)”實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解，在求解該問題上比現(xiàn)有最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快出一千萬倍.“九章二號(hào)”在處理玻色子取樣問題上，速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)更是快出了億億億倍，同時(shí)還擁有了更強(qiáng)的硬件編程能力.對(duì)于“祖沖之二號(hào)”而言，量子優(yōu)越性的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著量子計(jì)算踏入了發(fā)展的第二階段，相關(guān)架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ).

“九章二號(hào)”的“億億億倍”更是刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平.著名量子物理學(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授BarrySanders受邀在Physics網(wǎng)站上撰寫長篇評(píng)述文章，稱贊該工作是“令人激動(dòng)的實(shí)驗(yàn)杰作”，“令人印象深刻的最前沿的進(jìn)步”.

那么，什么是量子計(jì)算機(jī)? 為什么量子計(jì)算機(jī)可以“超快”? 量子計(jì)算優(yōu)越性又是什么? 我們今天就一一解讀!

圖1 祖沖之二號(hào)

1 什么是量子計(jì)算機(jī)?

首先，我們從最基本的量子是什么說起.“量子”不是指具體的某一種粒子，而是量子世界中物質(zhì)客體的總稱，可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是宏觀尺度下的量子系統(tǒng)，比如“薛定諤的貓”.在我們的日常經(jīng)驗(yàn)中，宏觀世界物體的物理量和狀態(tài)在某個(gè)時(shí)刻總是確定的.比如，一個(gè)燈泡要么是開的，要么是關(guān)的，不可能是既開著又關(guān)著的.但在量子世界里，“既開著又關(guān)著的燈泡”是存在的，因?yàn)榱孔泳哂携B加態(tài).量子疊加是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上，簡言之，就是兩種狀態(tài)疊加在一起.

“薛定諤的貓”就是解釋量子疊加的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn):把貓關(guān)在一個(gè)不透明的箱子里，箱子里有一個(gè)裝置，可以釋放出毒氣.如果不打開箱子去觀察(測量)，貓就陷于一種死或者活的疊加狀態(tài).

圖3 薛定諤的貓

除了疊加態(tài)，量子還有另一個(gè)重要的特性——量子糾纏.量子糾纏是指，即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個(gè)粒子的行為也會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài).當(dāng)其中一個(gè)粒子被操作而狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化.

量子計(jì)算機(jī)則以量子力學(xué)系統(tǒng)所描述的狀態(tài)作為計(jì)算形式.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或者微觀系統(tǒng).比如“祖沖之號(hào)”使用的是超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)，而“九章號(hào)”使用的是光量子系統(tǒng).

2 為什么量子計(jì)算機(jī)可以“超快”?

我們先來簡單地了解一下量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的邏輯.為了更好地形容量子計(jì)算機(jī)的處理速度，科學(xué)家將量子計(jì)算機(jī)的基本單位命名為昆比特，而量子計(jì)算機(jī)的主要實(shí)現(xiàn)者也就在于昆比特.昆比特是量子計(jì)算機(jī)最基本的信息單元，不同于電子計(jì)算機(jī)只能是0或1，量子比特可以同時(shí)是0和1，所以其計(jì)算性能更強(qiáng)大，而且增加量子比特?cái)?shù)可使量子計(jì)算機(jī)的性能呈指數(shù)級(jí)提升.

3 量子計(jì)算優(yōu)越性是什么?

簡單來說，只要在某些特定的問題上，采用無須糾錯(cuò)的專用量子計(jì)算機(jī)(也稱量子模擬機(jī))，計(jì)算(模擬)該問題的能力超越了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)，就叫作“量子計(jì)算優(yōu)越性”.

目前，世界上的量子計(jì)算機(jī)研究大多是針對(duì)某個(gè)特定的問題.例如“九章號(hào)”就是專門用以解決玻色子采樣問題，這是用來測試量子計(jì)算優(yōu)越性的熱門問題.

量子計(jì)算機(jī)最主要的優(yōu)勢，是能夠用物理系統(tǒng)上根本的并行能力，可以同時(shí)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.“祖沖之二號(hào)”與“九章二號(hào)”在不同體系都實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”，在量子計(jì)算領(lǐng)域邁出了重要的一步.

據(jù)介紹，量子計(jì)算優(yōu)越性的成功演示標(biāo)志著量子計(jì)算研究進(jìn)入發(fā)展的第二階段，開始量子糾錯(cuò)和近期應(yīng)用的探索.目前量子計(jì)算的發(fā)展還處于非常早期的階段，很難預(yù)測應(yīng)用前景到底有多廣闊，但是現(xiàn)在來看，它可以提高我們的計(jì)算能力，對(duì)很多科研領(lǐng)域都很有幫助，比如藥物設(shè)計(jì)、分子模擬、密碼破譯等.

(完)