2022年诺贝尔物理学奖揭晓，量子力学研究者获奖 | 什么是量子计算？

2022-10-05 03:10

观点 / 李铁夫主笔 / 程志责编 / 莹莹

2022年诺贝尔物理学奖公布，获奖者是阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·弗朗西斯·克劳泽（John Francis Clauser）、安东·塞林格（Anton Zeilinger），表彰他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了量子信息这一学科。

量子信息？什么意思？

今天，我就把我们以前和李铁夫的一次对谈分享给你，希望对你理解量子有一定启发。

李铁夫是谁？

李铁夫，清华大学微电子学研究所副研究员，北京量子信息科学研究院兼聘研究员，日本理化学研究所客座研究员，从事量子计算机科研工作近20年。

好了。言归正传。以下是李铁夫老师关于“量子”的分享。

1.到底什么是计算？

有人可能会说，计算还不简单，就是算术吗，1+2=3就是计算。

对，没错。

1+2=3，就是计算。

那计算机呢？

就是运算1+2=3这个计算的机器，或者说系统。

我们找到一个计算器，通过按键，输入1+2，然后按“=”，计算器经过计算，就会得出结果：3。

这个计算器就是一个计算机，有输入，通过运算得出结果的系统。

如果说一个输入后，就能通过运算得出结果的系统就是计算机的话。

那我们小时候学习计算用的数手指头，是不是计算机呢？

是。

同样计算1+2=3，我们是不是一只手，比划出1，另一只手比划出2，然后两只手合在一起，一数，就得出了答案3。

这时，我们伸出“1”&“2”的两只手，就是输入，两只手合在一起就是运算，三根手指就是答案。

所以，这当然是一个计算机，你可以叫它手指计算机。

那么，到底什么是计算？

计算，就是一个输入之后，通过运算，能得出结果的物理系统，这就是计算。

甚至，按照这个概念，我们再延伸一下。

我们用电饭煲做米饭。

把米和水放进电饭煲里，盖上盖启动，最后得出香喷喷的米饭。

这是不是计算？

这其实也是计算。

加入米和水就是输入，电饭煲通过加热等煮饭过程就是运算，香喷喷的米饭就是结果。

所以，到底什么是计算？

只要按照需求完成输入、运算和输出的物理系统都是计算。

这时，决定这个计算系统的能力，也就变成了由这个计算系统是一个什么样的物理系统，以及我们对它规则的掌控程度所决定。

2.什么是量子计算？

在了解量子计算之前，为什么我们要花篇幅介绍，到底什么是计算？

那是因为，量子计算和我们现在熟知的计算系统从最底层逻辑上就有本质的不同。

就以电子计算机和量子计算机的不同来说。

我们熟知的电子计算机，是通过控制电子来实现输入、运算、输出这个系统，它遵循的是经典的电磁规律。

那量子计算机呢？

量子计算机是利用量子力学规律操控的一个物理系统，它遵循的是量子力学。

而通过量子力学操控的这个物理系统，其实和电子计算机一样，也是操控比特。

只不过，量子计算机，操控的是量子比特。

可能有对计算机不熟悉的朋友，不知道比特是什么，更别提量子比特了。

简单来说，比特是信息量的最小单位。

在经典计算机（我们熟知的电子计算机）中，每个0或1就是一个比特。

8比特就是一个字节；

1024字节就是1KB；

1024KB就是1MB（一兆B）；

1024MB就是1GB。

我们现在的很多智能手机，都是128G，256G的存储空间。

所以，比特是信息量的最小单位，每个0或者1就是一比特。

那量子比特呢？

与电子计算机中的比特不同的是，一个量子比特不但可以是0，还可以是1；而且一个量子比特不只是能让0和1同时存在，还可以控制“0”和“1”的占比。

这就是量子计算和经典计算的本质不同，量子计算机是利用量子力学规律操控一个物理系统，而量子计算机所操控的量子比特，既可以代表0，又可以代表1。

这种状态在量子力学中称作“量子叠加态”。

3.什么是量子叠加态？

量子叠加态，这种既可以代表0，又可以代表1的状态，因为我们平时没接触过，会非常难以理解。

你可能听说过“薛定谔的猫”，就是把一只猫和一瓶毒药关在一个盒子里。

如果你打开这个盒子，那么这只猫只有两种可能，要么活着，要么死了。

但是如果你不打开这个盒子呢？

你怎么描述这个盒子里的猫，它的状态是什么？

因为你不知道盒子里的情况，所以这只猫就处于既生又死的叠加态状态。

量子比特既是0，又是1，也就是大概这个意思。

那这种量子叠加态有什么意义，经典一个比特不也是能表示两个状态吗，要么是1，要么是0。

量子叠加态的重要意义不是一个量子比特可以表示0和1，而是一个量子比特可以同时代表0和1，甚至可以控制他们的百分比。

而经典比特是要么是1，要么是0 ，从时间上来说，就是先是1，后是0。是有先后关系的。

如果这样说还有点抽象。

那我们再打个走迷宫的比方。

经典计算机中，或者我们想象中一个人怎么走迷宫？

你是不是要沿着一条路走，遇到一个岔路怎么办？

你只能先走其中一条路，如果不对，你会返回来再走另一条。

所以，如果有1个岔路，也就是2条路，理论上你可能要走2次，才能走出迷宫。

如果，有2个岔路，4条路，只有1个出口呢？

那你就有可能要走4次，才能走出迷宫。

如果是，1000条路，只有1个出口呢？

你就真的有可能要走1000次，才能走出迷宫。

那量子计算呢？它是怎么处理的？

它只需要走一次。

因为量子叠加态的特性。它可以同时走2条路、4条路、1000条路。

这就是量子叠加态的重要特性。

你可以把它理解成这时候走迷宫的不是我们普通人，而是孙悟空。

它可以吹一根毫毛变出千万个。

我们要一条路，一条路地走。

它就可以成千上万条路一起走。

这就是量子叠加态。

理解了什么是量子叠加态，那这种特性对计算有什么帮助呢？

其实通过上面走迷宫的例子，应该就能看出来，因为量子可以同时走成千上万条路。

这种特性，会指数级提高信息处理的速度。

— —

为什么量子计算机可以指数级增加信息容量？

量子叠加态除了可以提高信息处理速度，还可以指数级的增加信息容量。

什么意思？

我们用通过手指数苹果来做对比。

假设，有很多个盘子，每个盘子里放着不超过10个苹果。

正常数的话，我们看到A盘子里有8个苹果，就举出8个手指。

用信息容量的概念，就是，我们用了10根手指存储了A盘子有8个苹果这个数据。

这时，用量子手指呢？

其实也一样。我们也占用了10根量子手指。

但量子最强大的能力是，它的叠加态特性。

这时如果面对有很多盘苹果的情况下，这种特性的优势就显现出来了。

比如，现在有27盘苹果。我们现在要把这27盘苹果分别有多少个存储下来。

正常情况怎么办？

正常情况我们只能找27个人，每个人用他的10根手指表示一盘苹果。

这样27个人站成一排，用270根手指，才能把这27盘分别有多少苹果存储起来了。

那量子手指呢？

因为，量子叠加态的特性，无论是1盘苹果，还是27盘苹果，它都只需要10根量子手指同时表示。

而且27盘，也不是10根量子手指同时表示的最大值，10根量子手指同时表示的最大值，是1024盘苹果。

（注：这里假设这个量子手指只有0和1两种叠加态，其实可以更多，但是那样更复杂了）

也就是说，即使你有1024盘苹果，也只需要10根量子手指就能完全表示了。

而普通手指，你需要10240根，也就是要1024人。

所以，量子叠加态这种特性除了可以提高信息处理速度，还可以指数级的增加信息容量。

所谓指数级增加，是指N个量子比特的信息容量比N个经典比特放大了2的N次方倍。

4.什么是高效的计算系统？

说到，量子计算机的强大，可能也有同学听说过“量子霸权”这个名词。

什么是量子霸权？

量子霸权是2011年由科学家们提出的一个指标，它指的是，量子计算机只要针对某个特定计算问题，拥有超越所有经典计算机的计算能力。

就算达成了量子霸权。

2019年9月20日，谷歌的科研人员在53量子比特的量子计算机上，运行随机量子线路采样任务并与模拟超级计算机的计算进行对比，最终得出结论：量子计算机已经实现量子霸权。

根据这篇论文给出的数据，谷歌量子计算机花费200秒也就是3分20秒完成了计算，放到当今最强大的超级计算机Summit，则需要花费上万年才能完成。

一万年和200秒。

这就是量子计算机相对当今最强大的经典计算机Summit的碾压。

— —

听到这里，你可能会说，原来量子计算机这么厉害，这是要彻底碾压经典计算机啊。

其实，也不能完全这样说。

毕竟真正算上可以像经典计算机一样解决人类通用问题的量子计算机还没有出现。

原因是，稳定的控制好一个量子系统，在硬件上，用现在的方法，实现起来是一个相当困难的事。

谷歌实现量子霸权的量子计算机，也只能控制53量子比特。

即使，不说硬件的研发难度。

假设现在我们有了一个挺完美的、可控的量子计算机，我们目前，其实也没有足够好的算法，在这台计算机上做运算。

在前文说计算的本质是，我们提到，决定一个计算系统的能力，是由这个计算系统是一个什么样的物理系统，以及我们对它规则的掌控程度所决定。

这里，对它规则的掌握程度，一部分就体现为提炼算法的能力。

（注：这种掌握程度，包含提炼算法，还有对物理系统的控制能力等等）

量子计算的优势是并行处理信息这件事上，因为它是叠加态，它就可以叠加态的输入、叠加态的运算、叠加态的给出结果。

那么一个算法，如果能把量子计算机这种并行处理信息的能力发挥出来，这个算法也才能把量子计算机的优势显现出来。

但是，我们目前已经有的比较成熟的算法，其实并不多。

比如肖尔算法。

这是由数学家彼得·肖尔提出针对破解RSA加密协议的算法。

RSA协议是现在应用最广泛、最安全的加密算法。

但是量子计算机用肖尔算法可以分分钟就破解这些密码。

所以，经常一提到量子计算机，有人就会说那我们的银行密码就不保了，钱就会被取走了。

其实不会的，即使量子计算机真的成熟了，那时我们的加密算法也会跟着升级。

所以在这点上，无须担心。

只要知道，肖尔算法是理论上被证明一个在量子计算机上有良好应用的算法。

— —

除了肖尔算法，计算机科学家格罗佛提出了一个在无序的数据库中进行搜索的量子算法。

这个算法虽然也不错，但是他带来搜索速度的提升，只能达到平方根的程度，比量子计算可以并行计算，进行指数级加速比，差很多了。

那么到底差多少呢？

比如，经典计算机需要运算10000年的话；如果是平方根级的加速，那么只需要155小时就可以完成；

但如果是充分利用了量子计算机的特性，进行指数级的加速，那么只需要38秒。

当然，从10000年到155小时，这也已经相当快了。

— —

所以说，一个计算系统真正有效，不但要有一套操控稳定的物理系统，还要有适用这个物理系统规则的算法才能真正发挥它的作用。

对量子计算机来说，这里的算法就要充分地把量子计算并行处理信息的能力发挥出来，这个算法才是一个有效的算法。

这个计算系统，也才是个高效的系统。

5.现在，量子计算机在商业上有什么应用呢？

量子计算机虽然理论上被严格证明了，而且运算能力强大，但是无论是受硬件的限制还是算法的限制，现在还没有办法做出来一台真正的，大规模的，解决实际问题的量子计算机。

那，现在，量子计算机在商业上都有什么应用呢？

主要是通过特定的系统解决特定的问题。

比如在制药上，量子计算机可以模拟一些蛋白分子的折叠情况。

为什么模拟这个？

因为像是阿尔茨海默病、帕金森、2型糖尿病等等，这些疾病的致病原因都是因为某些蛋白质折叠错误导致的。

如果量子计算机可以模拟出来，就可以大大帮助医疗制药。

再比如加拿大的D-Wave公司推出一台商用的退火量子计算机。

退火是一类算法名字，专门用于进行问题优化，比如找到复杂区域的最优路线，找到某种材料的最稳定状态等等。

量子退火能帮助人们从体量巨大、结构繁多的数据中心，挖掘规律，发现模式。

以上，就是量子计算机在商业上实际的应用，虽然还不多，但是相信，随着量子技术的持续发展，一定会有越来越多的商业应用被开发出来。

最后的话

以上，就是李铁夫老师关于量子计算领域几个基础问题的解答。让我醍醐灌顶。

最后，我向李铁夫老师请教。

在通过这5个基本问答之后，我们的读者可能已经对量子计算有了简单的了解。那么对普通人来说，我们应该如何抓住这个机遇呢？

李铁夫老师说，所谓的机遇，很有可能就像当年的经典计算机一样，都值得借鉴。

我们学历史的目的并不是想真的了解那段历史，其实是为了能有更好的当下。

还有重要的一点，那就是心态。

面对新技术，新科技。

你表现得是拒绝，是要做那个被新科技逼得不得不改变的人；

还是表现得是欢迎，是做那个拥抱新科技，去造成改变的人。

祝福。

祝福那些创新、求变，去造成改变的人。

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来源: qq

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