量子計算機可否取代經典計算機

作者：張媛、達平、張遠

“懸鈴木”、“九章”號、“祖沖之”號等量子計算機先後問世，人們在歡欣鼓舞的同時，也不禁在問：是不是將來每人都可擁有一臺量子計算機？經典計算機會被徹底取代麼？

量子信息技術概念圖

今天，我們就來科普一下。

首先，量子計算機並不是經典計算機的升級換代，它也取代不了現有計算機。如果有人問：是不是用量子計算機打遊戲穩贏？是不是用量子計算機看電影一點都不卡？那麼很遺憾，量子計算機目前並不能做這些事，甚至計算簡單問題時還不如經典計算機。那種認爲量子計算機可以在任何問題上都超越經典計算機的觀點是有認識誤區的。

其次，量子計算機是用來解決經典計算機再怎麼升級也解決不了的問題，而不是用更優的方法去解決經典計算機已經能解決的問題。比如走迷宮，每個人遇到一個兩岔路口就再喊來一個小夥伴分頭走，這個迷宮不用太大，只要所有人在遇到第33個路口還沒有找到出口的話，人數就變成了85億8900萬！全地球的人都不夠。經典計算所遇到的大困難其實就是指數級增長，也叫作計算複雜性，我們面臨的問題雖然是線性增加，解決問題所需要的計算能力卻是指數級“大爆炸”。

計算複雜性有個神奇的特點就是非常穩定，就算你優化算法把計算量縮小1000倍，不可解的問題依舊不可解。所以從古代的算盤到近代的機械式計算機，再到現代的晶體管計算機，這些進步只是讓每一步算得更快，可是該算多少步還是要算多少步，永遠不可能像量子計算那樣是並行計算的方式。利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，而利用量子計算機只需1秒鐘。

第三，要實現通用型量子計算機的量產還有非常漫長的道路。“懸鈴木”、“九章”號等量子計算機都只能在一個問題上完勝經典計算機。比如“懸鈴木”完成的是“量子隨機線路採樣”這個問題，200秒鐘完成的任務，超級計算機“Summit”需要一萬年；“九章”號完成的是“高斯玻色取樣”問題，速度比目前最快的超級計算機“富嶽”號快一百萬億倍。

雖然只是“單項冠軍”，這些量子計算機的意義卻是非凡的。國際學術界把量子計算大概分成三個階段：第一階段就是造出一臺量子計算機，證明在計算某個具體問題上量子計算機可以超越目前最快的超級計算機，“九章”號和“懸鈴木”等完成了這個使命，成爲展示量子計算優越性的里程碑。第二階段是希望實現能夠操縱數百個量子比特的計算機，也叫量子模擬機或者專用量子計算機，解決若干經典計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題。第三階段是希望可集成的量子比特數目達到百萬量級，最終實現可編程的通用量子計算機。

可以說，在相當長一段時間裡，經典計算機並不會被取代，而是與量子計算機同在，解決各自擅長的問題，或者量子計算機與超級計算機合體，加速計算一些特別的問題。

最早的飛機只能飛幾秒鐘，最早的火車還沒有馬車快。回顧計算機歷史，從圖靈用於破譯敵軍密碼的“Bombe”,到用於原子彈研製的“ENIAC”。經典計算機最初也只是用於解決一些特定的重大問題。這些幾十噸重的計算機，經過半個多世紀的發展，才變成了今天的模樣。所以，對於量子計算機這種完全不同的物理原理誕生下的新型計算方式，我們更應帶着科學態度和信心去認知它。

我們的目標是造出有大規模容錯能力的通用量子計算機。畢竟，量子時代的“未來已來”，超強的量子計算值得期待。

來源：中國軍網