量子计算到底是什么？

原创： Decode PingWest品玩

量子计算机速度远超经典计算机，关键原因是量子并行计算。

2019 年 10 月 23 日，Nature 正式刊登了 Google 关于“实现量子优越性”的论文——《使用可编程超导处理器的量子优势》。这篇论文曾在一个月前被泄漏，但很快被删掉了。

“量子优越性”是指量子计算机可以完成经典计算机（当今流行的计算机）无法做到的事情。这个概念最早由加州理工学院理论物理教授 John Preskill 在 2012 年提出。

理论上，只要给足够的时间，经典计算机可以解决任何可计算的问题。因此，“量子优越性”的标准是在同一个计算任务上，量子计算机比经典计算机有显著的（指数）加速。

Google 的论文显示，他们制造出了 53 个量子比特数的量子计算机，计算能力超经典超级计算机。同样的计算量，量子计算机用 200 秒就完成了，而目前最强的经典超级计算机，要花费 10000 年才能完成。

IBM 的研究人员对此有不同看法。10 月 21 日，IBM 的研究人员发文，质疑了 Google 的实验方法：Google 在估算经典超级计算机需要 10000 年来计算的估算上出了问题，而 IBM 的方法可以让超算在 2.5 天内以更高的保真度完成相同计算任务。这还是” 保守的、最坏情况的估计 “，其他研究能进一步减少时间。

不管是 10000 年还是 2.5 天，量子计算机的速度都是远超经典计算机，这背后关键原因是量子并行计算。解释量子并行计算，要从量子的属性说起。

“量子”不是具体指某一种粒子，而是量子世界中物质客体的总称，可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是宏观尺度下的量子系统，比如“薛定谔猫”。

在我们的日常经验中，宏观世界物体的物理量和状态在某个时刻总是确定的。比如，一个灯泡要么是开的，要么是关的，不可能是即开着又关着的。

但在量子世界里，“即开着又关着的灯泡”是存在的，因为量子具有叠加态。量子叠加是指，一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。简言之，就是两种状态叠加在一起。

“薛定谔的猫”就是解释量子叠加的一个思想实验：把猫关在一个不透明的箱子里，箱子里有一个装置，可以释放出毒气。如果不打开箱子去观察（测量），猫就陷于一种死/活的叠加状态。

除了叠加态，量子还有另一个重要的特性——量子纠缠。量子纠缠是指，两个粒子即使相隔数光年之遥，也能够具有相互联系的特性。

▲（首张量子纠缠的图片）

1981 年，美国物理学家查德·费曼提出，原则上，人们可以设计一种计算机，该计算机通过量子力学特性来工作，模拟量子系统并采用量子方程得到解。由于量子系统具有天然的并行处理能力，用它所实现的计算机很可能会远远超越经典计算机。

经典计算机的信息单位是比特，一般用 “0” 和 “1” 来表示。一个比特，要么是“0”，要么是“1”。量子计算机的信息单位是“量子比特”。上面说到，量子具有叠加态的特性，因此量子比特可以同时处于“0”和“1”的状态。

有人做过一个比喻：经典比特是 “开关”，只有开和关两个状态（0 和 1），而量子比特是 “旋钮”，就像收音机上调频的旋钮那样，有无穷多个状态。经典计算机通过操纵经典比特进行运算，而量子计算机是操纵量子比特，本质上就是去旋转它们。

▲（图片来自于本源量子）

由于这种叠加的特性，让量子计算机可以具备了强大的并行计算能力。在设计量子计算机时，通常会利用量子纠缠的特性，让一个粒子和其他粒子纠缠，进一步提升并行计算能力。简言之，利用量子叠加和量子纠缠可使计算能力指数级增长。

制造量子计算机不是件容易的事。由于量子比特的量子态非常脆弱，打造量子计算机主要困难之一是保持量子态超低温度。“噪音”的最轻微振动或温度扰动的变化，都可能导致粒子在工作正常完成之前就发生量子行为的衰减，这被称为“退相干（Decoherence）”现象。

因此量子计算机必须在极度低温条件下工作，以尽力保护量子比特不受外界环境影响。其次，因为量子比特的不稳定性，量子计算的精度也存在问题，保真度不高。

不少研究人员都认为，Google 的成果推动量子计算往前走了一大步，但大家都很清楚，量子计算的应用还是非常有限。

目前，经典计算机仍然是解决大多数问题最简单、最经济的解决方案。而量子计算机适用于材料科学、药物研究和密码学等领域，有公司已经在试验将其应用于汽车行业和制药业。此外，机器学习里核心的优化过程与量子计算是天作之合，Google 花这么大力气研发量子计算机也就不奇怪了。