量子計算是什么？它到底有什么用？

量子計算(Quantum Computing)是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計算的新型計算模式。它與傳統(tǒng)計算理論不同，它的運(yùn)行基于量子比特，利用量子疊加和量子糾纏等獨(dú)特的量子效應(yīng)進(jìn)行信息處理，可以極大提高計算效率，并克服了成本問題，將是邁向強(qiáng)人工智能的重要道路。美國著名學(xué)者羅伊·阿瑪拉教授最近指出，量子計算是計算機(jī)領(lǐng)域未來30年最重要的顛覆性技術(shù)。

量子計算(圖片源自網(wǎng)絡(luò))

對照于傳統(tǒng)的通用計算機(jī)，量子計算的理論模型是通用圖靈機(jī)。1982年，美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼教授提出了量子計算的概念，并指出以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的計算機(jī)在處理特定問題時，具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)的能力優(yōu)勢。90年代先后誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為后來量子計算技術(shù)發(fā)展奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

量子計算的主要原理就是利用了量子態(tài)的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態(tài)，且在經(jīng)典計算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻能夠處于0和1的疊加態(tài)。換言之，每個傳統(tǒng)存儲器僅能存儲0或1其中一個，而量子存儲器卻能同時存儲0和1。

當(dāng)計算機(jī)有n個存儲器時，傳統(tǒng)計算模式每操作一次只能變化一個數(shù)據(jù)，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數(shù)據(jù)，量子計算的數(shù)據(jù)處理能力是傳統(tǒng)模式的2^n倍。當(dāng)n足夠大時，量子計算的優(yōu)勢將十分明顯。但目前人類能同時操縱的量子比特還不多，量子計算機(jī)尚未走向大規(guī)模實(shí)用。

從可計算的問題來看，量子計算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計算機(jī)所能解決的問題。但是從計算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統(tǒng)的通用計算機(jī)，為未來解決強(qiáng)人工智能的算法問題奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

量子計算機(jī)的計算能力隨著量子比特的增加呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，形成所謂“量子優(yōu)越性”。量子計算被認(rèn)為是在某些特定領(lǐng)域延續(xù)摩爾定律提升人類算力的方法之一，它如果能夠大規(guī)模商用，有望大幅縮短新藥開發(fā)、破解密碼、以及搜索等人工智能應(yīng)用所需時間。

量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力和更重要作用。因此，量子計算領(lǐng)域近年異常熱鬧，許多科研機(jī)構(gòu)都已進(jìn)軍量子計算領(lǐng)域。

在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾、IBM等美國科技企業(yè)擁有先發(fā)優(yōu)勢，通過不同技術(shù)路徑不斷實(shí)現(xiàn)對更多量子比特的操縱。2019年10月，谷歌研究人員聲稱，基于一個包含54個量子比特的量子芯片開發(fā)了量子計算機(jī)，它花費(fèi)約200秒完成的任務(wù)，而傳統(tǒng)超級計算機(jī)要1萬年才能完成。

谷歌研究人員最近借助量子計算機(jī)，首次成功模擬了一個化學(xué)反應(yīng)。他們表示，盡管這一反應(yīng)很簡單，但卻是量子計算機(jī)走向?qū)嵱没闹匾徊?而量子計算機(jī)模擬化學(xué)分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術(shù)的公司也在研究，微軟就是其中一員。

2020年7月，微軟發(fā)表了一篇文章，用量子計算幫助化學(xué)家尋找催化劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醛。展示了量子計算與化學(xué)結(jié)合的應(yīng)用前景。未來可以將這種算法擴(kuò)大規(guī)模，來模擬更復(fù)雜的反應(yīng)。而要模擬更大分子的反應(yīng)，還需要更多的量子比特。

2019年8月，中國量子計算研究獲重大進(jìn)展。浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學(xué)研究中心等單位組成的研究團(tuán)隊(duì)通力合作，開發(fā)出具有20個超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特數(shù)目的世界紀(jì)錄。

此外，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等中國科技企業(yè)也相繼出臺了量子計算研究計劃。2020年9月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子計算云平臺，使普通用戶也能通過云技術(shù)使用量子計算，為構(gòu)建量子計算生態(tài)系統(tǒng)作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

據(jù)媒體報道，中國著名學(xué)者潘建偉教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的光量子計算機(jī)僅從理論計算速度上來說，已經(jīng)超過了谷歌的量子計算機(jī)，在2020年可以實(shí)現(xiàn)操控60個量子比特。當(dāng)然，評價量子計算機(jī)的優(yōu)劣，不僅僅是理論上的計算速度和量子比特的數(shù)量，還有很多其他維度。

量子計算可分為通用量子計算和專用量子計算兩大類，前者具有通用性能夠解決各類計算難題，后者則是專門針對某類計算難題。目前，科研學(xué)術(shù)主要集中于專用量子計算領(lǐng)域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用于先進(jìn)武器設(shè)計和雷達(dá)開發(fā)測試等領(lǐng)域。

隨著科技的不斷進(jìn)步,計算工具也不斷地更新和發(fā)展。中國著名學(xué)者周海中教授曾經(jīng)說過：計算不僅是數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)技能,而且是整個科學(xué)的基本工具。毫無疑問，作為一種新型計算工具，量子計算將在各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

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