看完這篇，終於可以和別人聊量子計算機了！
量子計算機今天刷屏了——中國研究團隊構建的量子計算機“九章”，實現了對玻色採樣問題的快速求解，其計算速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍！具體報道請戳下圖👇
不過，大部分朋友看完都只能留下一句話：“每個字我都認識但……”別擔心，AI準備了一份小白友好的說明書。什麼是量子計算機？量子計算機爲什麼厲害？量子霸權又是什麼？你都能在這裡找到看得懂的答案。
量子計算機是計算機嗎？
是，但和我們現在所理解的“電腦”差別很大——兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態作爲計算形式。
我們日常用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉換成1和0（在電路中則表達爲“開”和“關”），再進行傳輸、運算與存儲。正是因爲這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱爲“計算機”。
世界上第一臺電子數字計算設備：阿塔納索夫-貝瑞計算機 | Wikimedia Commons
量子計算機則以量子的狀態作爲計算形式。目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子，這次的“九章”使用的是光子。
爲什麼量子計算機可以“超快”？
傳統的數字電路只有0或1兩種選擇，量子計算機使用的粒子則能夠同時處於多種狀態。以光子爲例，光除了亮與滅，其本身有着不同的偏振態，這種偏振態可以表示除了0與1之外的多組信息，量子計算機因而能夠同時承載更多內容。普通的計算機單元一次只能處理一個數據，稱之爲1個比特；量子計算機則可以一次處理1個“量子比特”，這不僅是0和1的狀態，而是一種疊加態，可以簡單認爲這是包含了多個數據，從而使處理速度大大提升。
自然光在各個方向上振動（如2），通過“偏振片”（如3）的過濾後，僅留下特定方向振動的“偏振光”（如4）| Wikimedia Commons
超級計算機也以處理速度快而著稱，但它與量子計算機不一樣。超級計算機本質上還是以傳統計算機二進制（0與1）爲基礎的，運算速度依然受限於電路的性能，而量子計算機完全屬於另一個體系。
量子計算機擅長解決什麼問題？
正如上面所說的，量子計算機最大的特點就是計算速度快，太快了。舉個例子，小學的時候都學過質因數分解，例如6可以分解爲2和3兩個質數；但如果數字很大，質因數分解就是一個很難的數學問題。1994年，爲了分解一個129位的大數，科學家同時動用了1600臺高端計算機，花了8個月的時間才分解成功；但量子計算機理論上只需1秒鐘就可以破解。
大數質因數分解是許多安全系統的基礎，基於此的加密算法——例如RSA算法，則可能會因爲量子計算機的研製成功而被攻破。
量子計算機需要安裝系統嗎？
量子計算機本身就是一套“系統”，獨立的光學組件提供了硬件，複雜的光路結構則決定了它的“算法”。例如，以光子作爲量子比特的量子計算機，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態、完成“算法”的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態進行觀測。
不過，對於量子計算機的控制，仍然需要通過普通電腦進行信息的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在普通電腦上輸入初始數據，數據在量子計算機控制系統中進行復雜的轉換和運算，最後得到的結果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。
什麼是量子霸權？
只要在某些特定的問題上，量子計算機的能力超越了任何經典計算機，這就叫做“量子霸權”。雖然聽起來很有震懾力，但“量子霸權”其實只是量子計算機發展的一個階段，還沒有達到最理想的狀態。
目前，世界上的量子計算機研究大多是針對用某個特定的問題。例如我國這次研發出來的“九章”，就是專門用以解決玻色採樣問題，這是常用來測試量子計算機優越性的熱門問題。
量子計算機的理想狀態則是通用量子計算機。這樣的量子計算機將被用來解決任何可解的問題，在很多領域會得到廣泛應用。然而，目前量子比特數還遠遠不夠，糾錯容錯技術也不夠完善，大大限制了計算能力。
通用量子計算機是未來的研究方向 | 墨子沙龍
量子計算機最主要的優勢，是可以對數據進行同時處理。目前，更多的應用仍然是對於特定難題的計算，而想在普通的使用中發揮它的優勢，或許還有待漫長的探索。
參考文獻
[1] 陳明城. 實驗光學量子計算[D].中國科學技術大學,2017.
[2] 方糧,劉汝霖,湯振森,隋兵才,池雅慶.量子計算機:量子算法與物理實現[J].計算機工程與科學,2012,34(08):32-43.
[3] 郭光燦,陳以鵬,王琴.量子計算機研究進展[J/OL].南京郵電大學學報(自然科學版),2020(05):1-8[2020-12-04].https://doi.org/10.14132/j.cnki.1673-5439.2020.05.002.
[4] 公衆號：墨子沙龍, 經典和量子的算力之爭： 中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑
[5] 魏世傑,王濤,阮東,龍桂魯.量子算法的一些進展[J].中國科學:信息科學,2017,47(10):1277-1299.
作者：Owl，小圓
編輯：麥麥