一文看懂量子计算机为何那么快！

点击：  作者：星话大白    来源：大白话时事  发布时间:2020-12-06 12:30:42

 

在我们自己的量子计算原型机“九章”问世后，不少人对量子计算机这个看起来有点神秘的新鲜事物感兴趣，但又不知道具体量子计算机跟电子计算机有什么区别。

 

而且新闻里提到的量子计算机的性能数据有点太过于“惊人”。

 

“九章”量子计算机，在处理“高斯玻色采样”问题时，速度是目前最快的超级计算机的100万亿倍。

 

也就是说九章量子计算机只要花200秒就能处理好的事情，目前世界上最快的超级计算机 要计算6亿年！

 

这就是量子计算机相比经典计算机的性能“碾压”。

 

“九章”的输出态空间达到了10的30次方，光是要记录这些状态，用光世界上左右的内存、硬盘、光盘还不够。

 

面对这些“天文数字”的性能指标，一些人开始在怀疑这个是不是在吹牛。

 

不过呢，会怀疑是不是吹牛的人，基本是对量子力学和量子计算机一无所知的，不明白量子计算机跟电子计算机几乎可以说是两种次元的产物，也不明白量子计算机为何会取得对电子计算机有如此“碾压”的性能优势。

 

其实去年谷歌研发出来的53个量子比特的量子计算原型机，当时谷歌提出一个“量子霸权”的说法。

 

这个量子霸权，也翻译做“量子优越性”，意思是“如果量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明量子计算在未来有多方超越的可能。”

 

所以，不管是我们的九章量子原型机，还是谷歌的量子原型机，都是“单一”用途的原型机，而非通用型原型机，只能解决某一类数学难题。

 

比如我们的九章量子原型机，是针对解决“高斯玻色采样”。

 

而谷歌的量子原型机，是针对解决“随机线路采样”。

 

这些数学难题，用经典计算机去计算，动辄都是要上亿年也算不出结果。

 

但只要用量子计算机，像“九章”只需要要计算10小时，但超级计算机需要1200亿年。

 

因为二者这个性能差距太大，所以量子计算机可以取得对经典计算机的“霸权优势”，意思是绝对的碾压。

 

不过，目前学术上对于量子计算机是否可以成为“稳定”的通用型计算机，还是存在一些争议的。

 

这个主要因为，量子计算机是基于“量子叠加态”这个神奇的量子效应来实现的，用科幻点的说法打比方说，就是有N多个平行宇宙的量子计算机，在一起帮你并行计算，才会让量子计算机那么快。

 

但量子叠加态是不稳定的，一旦坍缩这个计算数据很容易丢失。

 

所以从稳定性来说，量子计算机是远不如经典计算机。

 

因此，不管是谷歌的量子计算机，还是九章量子计算机，这样的原型机设计出来，目的只有一个，那就是跟世人证明，量子计算机可以有实际用途！

 

所谓量子霸权就是说，只要量子计算机能够解决某单一问题，成为专用机，那么就存在慢慢成为通用机的可能性。

 

但其实，即使量子计算机最后被证明没办法成为通用计算机，但只要量子计算机可以成为解决某一类难题的专用计算机，那么量子计算机仍然可以在数学、医药、材料等领域发挥重要作用。

 

比如说可控核聚变，昨天我们在可控核聚变也取得了重要突破，首次“放电”，虽然这距离真正“可控”的核聚变仍然还十分遥远，但也是重要的突破。

 

而可控核聚变实际上就是一直卡在材料问题上，而量子计算机在针对特定的材料设计的模拟计算上，具有碾压经典计算机的优势。

 

也就是说，一旦量子计算机进一步发展，单单在材料学上的贡献就可以发挥巨大的作用，到时候也可以帮助诸如可控核聚变还有其他工程应用领域，都带来巨大的突破。

 

这是量子计算机可以带给我们的美好愿景。

 

包括像人工智能，我们当前整体的算力瓶颈问题，其实都可以通过量子计算机的发展，来实现突破的可能。

 

所以，量子计算机并不是什么忽悠工程，而是实打实的当前世界大国都在争先恐后竞赛的领域。

 

目前只有我们和美国，有能力研发量子原型机。

 

在这个领域，我们和美国是唯一的竞争者，谁在这个领域能够取得技术上的领先，将至关重要。

 

所以今天文章我就来跟大家科普一下，究竟“量子计算机”跟“电子计算机”有什么区别，为什么会有这么大的性能碾压优势。

 

量子计算机和电子计算机的区别，不是简单的把经典计算机架构里的“电子”给换成“量子”，二者是完全不同次元的产物。

 

所以要真正明白这个问题，首先需要来了解一下什么是电子计算机。

 

（1）计算机发展史

 

最原始的计算机，是机械传动的，理论上我们的算盘应该算是最古老的计算机。

 

在硅谷的计算机博物馆里写着“计算机2000年的历史”，其中源头就是摆着我们的算盘。

 

 

不过算盘作为最原始的计算机，并不够自动化，更多依赖于人工手动。

 

而真正可以有自动化运算功能的机械结构计算机，是1822年英国数学家设计并制造出可动模型的“差分机”。

 

 

不过这个差分机当时只是做出模型，实际并没有多大用途。

 

机械式的计算机，由于极低的运转效率，是注定不可行的。

 

所以在进入20世纪后，随着量子力学这样全新理论的出现，让整个微观世界出现理论爆炸式发展。

 

而随着科学家对微观世界的探索越发深入，人们开始萌发出研制“电子计算机”的想法，也就是通过电来驱动的计算机，而非机械驱动。

 

最原始的电子计算机是“继电器”计算机，然后是电子管计算机、最后就是现在的晶体管计算机。

 

继电器简单说是一种可控开关，靠简单的电路开关就可以做计算机？这个还真可以。

 

其实计算机最核心的是CPU，而CPU最核心的就是逻辑运算，而逻辑运算的实现方式，其实就是通过“开关”。

 

现代电子计算机，不管是“继电器”计算机、还是电子管、晶体管，之所以会被归于同一类计算机，因为他们都是采用“逻辑门”运算，只不过是用“继电器”当逻辑门，还是用电子管和晶体管当逻辑门的问题而已。

 

在上世纪美苏争霸的时候，美国押注了晶体管路线，而前苏联则押注了电子管路线。

 

并且前苏联还走了歪路，搞出了三进制的计算机，在大规模商业化上，完全被二进制的晶体管计算机碾压，最终这也让前苏联和信息化时代无缘，也是美苏争霸里苏联之所以失败的其中一个很重要原因。

 

可见，一个国家在关键领域的技术路线选择上，是要慎之又慎，要是押错路线，很容易满盘皆输。

 

现代经典计算机，都是采用“冯诺依曼”结构，并且是使用逻辑门进行逻辑运算的计算机。

 

这里顺便说一下冯诺依曼这个人，他是一名天才，但天才其实也并不少见，冯诺依曼最夸张的地方，他是一名超级全才。

 

冯诺依曼被誉为计算机之父、博弈论之父，同时他还是一名全能型数学家，而且还是量子力学的奠基人之一，在物理、化学都有很深造诣，还参与过美国曼哈顿核武器研发计划。

 

他可以说是现代科学史上最后一名全才型科学家，在他去世之后，随着科学大厦越来越庞大，并且更加细分化，现在已经没有出现过这样璀璨的超级全才型科学家。

 

回到今天文章里。

 

在1930年，有4名数学大牛齐聚一堂在讨论“形式化运算系统”的研究，这其实就是在研究“自动化运算”的可能性。

 

这4个数学大牛就是阿兰图灵、冯诺依曼、库尔特·哥德尔、阿隆佐·丘奇。

 

其中阿兰图灵和冯诺依曼是被誉为计算机之父。

 

关于阿兰图灵这个人，估计喜欢看科幻小说的人都听过“图灵机”这个名词。

 

特别是阿兰图灵还是“人工智能”的先驱者，1949年图灵曾经发表著作《计算机器与智能》，里面提出著名的“图灵测试”，十分前瞻性的提出如何辨别人类和人工智能。

 

不过，阿兰图灵在计算机上的贡献最主要在于，他提出可以通过0和1进行逻辑运算解决复杂问题。

 

而逻辑运算就是现代计算机的最核心规则。

 

在此基础上，冯诺依曼提出了“运算器、逻辑控制器、存储器、输入设备、输出设备”这计算机五大部件。

 

这也被称为“冯诺依曼结构”，这个结构一直被沿用至今，哪怕是量子计算机也没有完全离开冯诺依曼结构里。

 

 

冯诺依曼这五大部件，其实对应一下很好理解。

 

运算器和逻辑控制器构成了CPU主体。

 

其中存储器就是内存和硬盘。

 

输入设备就是键盘和鼠标。

 

输出设备就是屏幕。

 

在这五大部件里，最核心的自然就是CPU，而CPU里最核心的就是逻辑门，因为CPU逻辑运算就是通过逻辑门来进行的。

 

限于文章篇幅，我没办法把这五大部件挨个说一遍，只能重点讲讲CPU逻辑运算的原理。

 

这实际上也是电子计算机和量子计算机的最主要区别地方，二者的计算原理是完全不一样的。

 

（2）逻辑运算

 

我来问大家一个问题，你们知道你现在握着的手机，其芯片的运算原理是什么吗？

 

估计知道答案的人并不会太多。

 

计算机的计算，并非数字计算，而是逻辑计算。

 

这个意思是，比如你在手机里打开计算器，输入一串数字相加，计算机并非直接把这串数字相加来告诉你结果。

 

而是要先把这串数字传化成二进制数据，然后通过对二进制数据进行逻辑运算，再把逻辑运算的结果输出转化为十进制数据，然后呈现在大家屏幕里。

 

那么大家要先明白什么是逻辑运算。

 

逻辑运算就是说，运算的过程是依赖于逻辑，而非数字符号本身。

 

所以不像数字运算有严格的唯一结果，比如1+1只能等于2，不能等3。

 

但在逻辑运算里，0+1可以等于0，但0+1也可以等于1，取决于事先定义的逻辑是怎么样。

 

也就是说逻辑运算只取决于“组合规律”。

 

而之所以使用二进制做为逻辑运算，只是因为二进制进行逻辑运算，最为简单。

 

二进制是只有0和1这两个数字。

 

所以，当一组只有0和1的逻辑运算结果，并不复杂，两个二进制数字的排列组合最多只会有4个。

 

0+0

0+1

1+0

1+1

 

也就是输入端输入两个数字，然后输出一个结果，进行逻辑运算，会有上述这4种情况。

 

而我们可以根据定义可能出现的结果，来做一个逻辑对应。

 

比如说有下面这种情况。

 

0+0=0

0+1=0

1+0=0

1+1=1

 

这种逻辑运算输出结果的规律是，只有同时输入两个1，才能得到1，其他只有有一个为0，输出结果就为0。

 

我们这里可以不用0和1，比如用真和假。

 

1代表真，0代表假。

 

那么这个运算结果的逻辑是：只有二者皆为真，结果才为真，只要有一个是假的，就都是假的。

 

这个逻辑，叫做“与”逻辑。

 

然后我们再来看另外一种逻辑。

 

0+0=0

0+1=1

0+1=1

1+1=1

 

这个运算结果的逻辑是：只要有一个是真，就都为真。

 

这个逻辑，被称为“或逻辑”。

 

然后还有一个逻辑是叫做“非逻辑”，意思是只对结果做一次“反值”。

 

在非逻辑里，只需要有一个输入数字，然后输出一个结果。

 

0→1

1→0

 

也就是说，非逻辑就是把假的变成真的，真的变成假的。

 

这就是二进制逻辑运算的三大核心逻辑“与、或、非”。

 

这三大逻辑，实际上就是CPU逻辑运算的核心，不管再复杂的计算，都是通过这三大逻辑去实现的。

 

是不是感觉很神奇呢？

 

你现在用手机屏幕看到的所有影响，呈现的所有文字，其背后都是通过把“0和1”这两个数字，通过三个逻辑运算，所计算出来的输出结果。

 

那么这是如何实现的呢？

 

这就涉及到“逻辑门电路”。

 

电子计算机之所以被称为电子计算机，是因为他的逻辑门是由电路构建的。

 

串联电路和并联电路大家应该不陌生吧，这是初中物理的知识。

 

下图是一个串联电路。

 

 

我们如果把开关跟0和1做一个映射关联，比如说，闭上开关为1，断开开关为0。

 

那么我们用最简单的串联电路知识就会知道。

 

只有两个开关都闭合上，灯泡才会亮。

 

那么我们同样把灯泡亮不亮跟0和1做一个映射关联，灯泡亮代表1，灯泡不亮代表0。

 

于是就可以得到这样一个结果。

 

 

也就是，两个开关都闭合上，灯泡才会亮，只要断开其中一个开关，灯泡就不亮。

 

不知道大家发现没有，这实际上就是“与逻辑”。

 

 

也就是说，我们可以通过串联电路实现与逻辑的运算结果。

 

那么我们再来看并联电路。

 

 

我们用初中的并联电路知识就知道。

 

只需要闭合上一个开关，灯泡就会亮，只有两个开关都断开，灯泡才会不亮。

 

 

我们同样把开关闭合和断开，跟1和0映射，把灯泡亮和不亮跟1和0映射。

 

就会得到下面这个逻辑运算结果。

 

 

想必大家也发现了，这实际上就是“或逻辑”。

 

也就是说，我们可以通过并联电路实现“或逻辑”运算。

 

至于非门实现起来会比较复杂一些，但仍然可以通过电路来实现非门的逻辑。

 

也就是说，我们可以利用电路的串联、并联开关，来实现“与、或、非”的这三个逻辑运算。

 

实现这样逻辑运算的，也被称为“门电路”。

 

“与、或、非”是最基础的三个逻辑门电路。

 

在这个基础上，通过把多个串联和并联电路、非电路组合，可以衍生出其他种逻辑门电路。

 

比如把“与门”电路和“非门”电路串联起来，可以得到“与非”门电路，得到的逻辑运算结果是跟“与门”相反。

 

以此类推，还有或非门、异或门、同或门。

 

总而言之，这些门电路，最基础的就是“与、或、非”这三大逻辑门电路，其他都是用这三个去组合出来更复杂的逻辑门电路。

 

图灵和冯诺依曼这些科学家，之所以被称为计算机之父，是因为他们创造出用逻辑运算来实现加法运算的方法。

 

上面说过，逻辑运算并非“加减乘除”四则运算。

 

要把逻辑运算变成可以实现“加减乘除”的四则运算，中间还有一个十分复杂的转换过程，限于文章篇幅，我就不再这里展开叙述，因为如果再往下说，估计能再写个1万字。

 

简单说，通过逻辑门电路，可以组合成“全加器”，但一个全加器只能进行1位二进制加法运算。

 

不过把多个全加器组合起来，可以实现对多位的二进制加法运算。想要实现8位数的二进制计算，就一共需要搭建8个全加器，144个逻辑门电路。

 

计算机的CPU，就是这样不断堆叠出量的门电路，来实现强大的计算能力。

 

可以说加法是计算机唯一在做事情，其他像减法、除法、乘法，都可以通过构造加法来实现。

 

比如说减法运算，可以在加法基础上通过“补码”来实现。

 

这块知识比较复杂，这里就不展开叙述，大家大概了解一下就行了。

 

一开始人们是用“继电器”来制作逻辑门电路，这就是继电器计算机。

 

后来人们用电子管来制作逻辑门电路，这就是电子管计算机。

 

而现代电子计算机则是用晶体管来制作逻辑门电路，这就是晶体管计算机。

 

后来人们掌握了把晶体管大规模集成到小小芯片上的技术后，就有了计算机产业的飞速发展。

 

但不管当前互联网呈现如何多姿多彩的世界，其背后都只有由0和1构成，而能把0和1这两个数字演变成如此庞大复杂的互联网信息时代，就是通过三大逻辑门运算。

 

这不由让我想起《道德经》里的一句话：道生一、一生二、二生三、三生万物。

 

如果我们把这里的“二”，理解为0和1的二进制，那么“二生三”实际上就是指“阴阳变化有三”，而三生万物则可以理解为“通过三个阴阳变化可以衍生出万事万物”。

 

其实，当前的互联网里的虚拟世界，就是“一生二、二生三、三生万物”的一个实例体现。

 

大家应该知道，我以前会用业余时间去写写小说，这是我的兴趣爱好。

 

我以前写过一本小说，是说用制造计算机的方式去修真，通俗说就是把人体变成了一个大型计算机去修炼。

 

当时为了写那本小说，我啃了十几本计算机原理有关的书，我甚至在那本小说里介绍了如何从无到有去打造一台简单“加法机”。

 

当然，因为那本小说写得实在太过专业晦涩，理所当然的就扑街了，没有多少人看，有机会的话，我会重新修改一下在我自己的“大白奇书”公众号上连载。

 

其实当时写那本小说会开那个脑洞，也是因为我从当前互联网的虚拟世界里，感受到这种“三生万物”的魅力。

 

现实和虚拟的界限，随着科技的不断发展，其实在不断的模糊。

 

在“黑客帝国”那部神作里，早就描绘出这样一个可以以假乱真的虚拟世界，当人们都分不清虚拟还是现实的时候，什么是真，什么是假，就变成了一个很意思的问题。

 

进一步联想，其实不少人都在怀疑，我们当前所处的现实世界，亦或者会不会也是某个超巨型计算机的演算结果？

 

这其实不但是很多科幻小说喜欢用的题材设定，也是当前最前沿的理论物理学的研究领域，比如说有科学家认为，黑洞就是一个巨型计算机。

 

因此，我们从计算机的逻辑运算原理，其实可以感受到我们古人的智慧。

 

0和1这两个数字，通过三大逻辑运算，衍生出当前我们多姿多彩的虚拟世界。

 

那么我们现实中是否也存在这样的演化规律呢？

 

其实像上面提到的“与、或、非”这三大基础逻辑，我用真和假来举例。

 

其实除了真和假，也能用阴和阳来举例。

 

比如说阴=0，阳=1。

 

那么实“与、或、非”这三大逻辑用阴阳变化来解释就是这样的。

 

‘与’为阴盛阳衰，即，一阴一阳，合则为阴。

‘或’为阳盛阴衰，即，一阴一阳，合则为阳。

‘非’为阴阳转换，即，将阴变阳，由阳化阴。

这其实就是阴阳变化的三种最基本变化。

由这三种阴阳变化，可以衍生出万物。

所以，道生一，一生二，二生三，三生万物。

我们古代道家哲学的阴阳变化之道，其实跟现在的信息科技是有暗合之处。

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这段话也是我之前小说里的内容，算是我自己的一个脑洞吧，只是帮大家开开脑洞而已，想象可以尽情的去想，但大家也不用太当真，不然很容易变成“民科”。

 

就像我昨晚在留言里回复读者的那样，古人的确充满智慧，留下很多精妙绝伦的哲学思想，很多都是超前于时代。

 

不过哲学和科学的最大区别就是，科学是要能应用的，而哲学只需要想就行了。

 

这是“写意”跟“写实”的区别，想和做是两码事。

 

古人只是靠自己“想”可以得出“三生万物”这样的意境。

 

但是单靠这样的“意境”却不能让计算机诞生出来，也没办法让人类生产力急剧增长。

 

从哲学上的“意境”，要变成生产力去实际应用，是有很长的路要走。

 

毕竟我们所处的是一个物质世界，不是可以通过精神思维直接影响现实的“魔法世界”。

 

而科学要做的就是把“哲学”单纯“想”，转化成“科技应用”可以实际去“做”。

 

我个人认为，科学实际上就是把人类想象力不断实现的过程。

 

从这点看，哲学和科学一直都是相辅相成的。

 

量子计算机，实际上就是带有这样神秘色彩的科学产物。

 

（3）量子计算机

 

量子计算机之所以跟传统计算机不一样，是因为它们的运算原理是不一样的。

 

经典电子计算机是通过“逻辑门电路”来实现逻辑运算的。

 

而量子计算机的基本计算单元，叫做“量子比特”。

 

量子比特这个名词虽然看起来高大上，但实际上就是 “0或者1”。

 

比特是指计算机存储数据的最小单位，就是0或者1。

 

经典计算机的经典比特是固定的0或者1这样的数字。

 

而量子比特跟经典比特最大的区别在于，量子比特处理的0或者1，这两个数字是处于“量子叠加态”的。

 

要是有不理解“量子叠加态”的新读者，可以去看我“大白话时事”公众号昨天的文章，是一篇很详细的量子力学科普文。

 

也就是说量子计算机的处理数据，并非0和1，而是处于量子叠加态的0和1。

 

这个量子叠加态的0和1，有比较专业的符号来表示|0> 和|1>。

 

经典计算机是用电路开关的闭合状态来区分0和1，而量子比特则是利用粒子的状态不同来区分。

 

比如说用光子的两个正交的偏振方向，磁场中电子的自旋方向，或核自旋的两个方向，来区分0和1。

 

这也是为什么，量子比特通常是由光子、电子这样的基本粒子构成。

 

比如我们这次的九章量子计算机，就是用76个光子，构建了76个量子比特。

 

也就是说，1个光子就是1个量子比特。

 

这里大家也能看出量子计算机和经典计算机的最大区别，就是这个计算单元的不同。

 

经典计算机是通过逻辑门电路来计算，而量子计算机就是通过量子比特计算。

 

1个量子比特也是一个“量子门”。 

 

 

由于一个量子比特里，0和1是处于量子叠加态，所以单单一个量子比特就可以对应“可能是1、也可能是0”。

 

那么两个量子比特，就有4种存储状态|00>态, |01>态, |10>态和|11>态。

 

其实就是：00、01、10、11，也就是两位数的二进制的存储数据。

 

n个量子比特有2的n次方种可能的基本状态，量子叠加态的一般形式就是这2ⁿ个基本状态相加。

 

也就是指数级增长，所以，在量子比特不超过50个的情况下，还不能取得对经典计算机的碾压优势。

 

比如说1个量子比特可以存储2个，2个量子比特可以存储4个，3个量子比特可以存储8个，4个量子比特可以存储16个。

 

但一旦超过50个量子比特，这个存储容量是远超过经典计算机结构的。

 

谷歌去年推出的量子计算机有53个，它的基本状态就是2的53次方个，也就是10的16次方个，也就是1亿亿个。

 

我们的九章量子计算机，有76个量子比特，也就是2的76次方，约等于10的30次方。

 

而目前全世界所有存储器加起来的存储容量，也只有10的22次方。

 

也就是说，光光九章计算机的输出态空间（量子纠缠可能出现的状态），要记录这些状态，把全世界所有内存硬盘加起来都不够。

 

所以可以看到，量子计算机一个很大优势在于，只要增加一个量子比特，其计算速度和存储状态都是指数级增长。

 

现在还只是76个量子比特就可以有这么快的计算速度，后面要是增加到几千个，甚至几千万个的时候，那简直是不可想象。

 

另外量子计算机还应用到量子纠缠这个神奇效应。

 

量子纠缠的意思是，两个量子叠加态粒子，会通过一些相互作用进入到“纠缠状态”。

 

这个时候，如果我们对其中一个粒子进行测量，确认其处于|0>态，那么我们就可以瞬间知道另外一个粒子处于|1>态。

 

而不管另外一个粒子距离有多远，哪怕距离几亿光年，我们也可以瞬间知道另外一个粒子会处于什么状态。

 

这就是量子纠缠的超距效应。

 

然后再来说说，量子计算。

 

量子计算就是巧妙地操纵量子叠加态，通过“量子门”计算，以量子力学原理作为计算逻辑，超出了经典计算机使用的布尔代数逻辑计算的范畴。

 

这也是量子计算机和经典计算机的最大区别。

 

现代的电子计算机虽然也是在量子力学基础上才得以建立的，但是其计算逻辑却没有用到量子力学，而是用“经典逻辑运算”，所以电子计算机算“经典计算机”。

 

而量子计算机的计算逻辑，是“量子计算”，所以才叫做量子计算机。

 

由于，量子计算是通过量子比特的叠加态去计算，这使得每一个量子比特都不是固定的状态，而是“可能性”状态，这使得量子比特的数量越多，量子计算机的计算速度也是指数级增长。

 

因为量子比特是具备“可能性”状态，所以在并行计算上，量子计算机的计算速度是远超过经典计算机。

 

特别是涉及到一些“概率计算”“随机计算”“可能性计算”方面的问题计算时，可以充分发挥量子计算机这个并行计算的特性。

 

但反过来，一些普通的线性计算问题，量子计算机则体现不出这种对经典计算机的碾压优势。

 

比如说，两个数相乘，不管这两个数字多大，经典计算机也可以很快计算出这两个数字因子的乘积，在这种线性问题上，量子计算机并没有比经典计算机快多少。

 

但反过来，给你这个“乘积”，要计算是由哪两个因子相乘，只要这个大数不是偶数，那么经典计算机要反过来计算这个乘积会由哪两个数相乘，就会计算得比较慢，数字越大越难。

 

但是量子计算机就不一样，量子计算机可以轻易的计算出任意一个大数的因子。因为量子计算机可以一次性把所有可能性计算出来，而不像经典计算机得一次次去把所有可能性计算一遍。

 

量子计算机本身就是基于量子叠加态去进行量子计算，所以在这种可能性问题上，有巨大的优势。

 

量子计算机的快，也是主要快在这个地方上。

 

而这些“概率、可能性、随机”领域的问题，恰好就是材料、制药等领域最容易被卡瓶颈的地方。

 

比如说量子计算机可以很轻易的模拟出，某种未知材料的各种可能性，去做数量级极大的模拟运算。

 

而经典计算机在做这类计算时，是非常耗时，速度跟量子计算机比起来就跟乌龟一样慢。

 

所以才会出现开头说的，九章计算机只要运算200秒，现在最快超级计算机就得计算6亿年的情况出现。

 

不过量子计算机虽然具备在某些领域碾压经典计算机的能力。

 

但量子计算机也不是完全没有缺陷的。

 

除了量子计算机在线性问题上，并不具备太大优势之外。

 

量子计算机最大的问题，在于不够稳定。

 

量子计算机是基于量子叠加态去计算的，而通过我昨天的文章，大家应该知道，量子叠加态是非常不稳定的状态。

 

只要稍微被“测量”到，量子叠加态就会马上坍缩，只留下一个结果。

 

也就是假如一个量子比特被测量到，那么这个量子比特就会坍缩为0或者1，变成了经典比特。

 

假如有一组量子比特，经过长时间计算出海量数据后，结果稍有风吹草动，这些量子比特就会坍缩为一组固定数据，原本海量的数据就会大部分都在坍缩中消失，也就是我昨天文章里也提到过的“信息消失”。

 

而且量子计算机还有一个很严重的问题是，很难简单把计算结果给输出来。

 

经典计算机，算出什么结果，可以马上输出。

 

但量子计算机就不行，因为量子计算机的计算结果是存储于叠加态状态。

 

一旦我们对这个结果进行测量，整个量子叠加态就会瞬间坍缩，从而把正确结果给湮灭了。

 

所以量子计算机的计算过程会出现大量错误比例，基本都是由“比特错误和相位错误”构成。

 

但这个问题，可以通过一些算法和机制来解决。

 

比如说下图这样的，大家不用看懂不明觉厉就行，像我也是看不懂。

 

 

 

简单说，就是为了解决量子出错的问题，需要不断进行量子纠错。

 

因此，用量子计算机进行计算，需要要把同一个计算重复上万遍，然后再把这上万个具体的 0 或者 1 统计一遍，才能重新得出正确的运算结果。

 

除了需要量子纠错的难题之外，量子计算机还在制造难度上存在比较大的瓶颈。

 

由于量子比特这种量子叠加态是非常敏感，所以对其进行操作要非常非常的精确小心，否则量子比特瞬间坍缩给你看。

 

九章量子计算机的设计师是这么形容量子计算机的操作难度：“我们需要50路光子同时通过20多米的光层，每一路都要保持25纳米的精度，这相当于你让50匹马一起跑过100公里，必须同时到达，每匹马的误差，不能超过一根头发丝。”

 

所以量子计算机是一个高度精密的体系，量子比特越多，这个操作难度也是指数级增加。

 

现在九章量子计算机是用了76个量子比特，而如果要实现通用型量子计算机，起码得上千万个量子比特。

 

至少目前的科技水平，还是远远达不到这个制作水平和操作水平，还有相当遥远的距离。

 

目前量子计算机的技术路线其实还没有固定，有至少20种不同的量子计算机方案。

 

我们这次采用的是光子作为量子比特的量子计算机，除此之外还有通过小型超导电路制造的超导量子计算机。

而微软比较热衷的是拓扑量子计算机。

 

除此之外，还有电磁场控制带电离子的离子阱量子计算机。

 

简单说就是，量子比特的构建方式不同，就形成不同的量子计算机。

 

除此之外，无处不在的宇宙射线，也极大制约了量子计算机的稳定性，因为宇宙射线也很容易对量子叠加态产生“测量”，导致量子比特坍缩。

 

不过虽然存在这些问题，但量子计算机仍然是人类突破下一代技术革命的关键技术。

 

而且量子计算机也不是一定要往通用计算机的方向去制造，也就是并不需要完全取代经典计算机。

 

量子计算机的优势还是在于并行计算，去计算那些“可能、概率、随机”的问题，而这些问题恰恰就是我们经典计算机最不擅长，导致我们在材料、制药、数学领域是长期卡在瓶颈。

 

而量子计算机的出现，可以作为专用机，帮我们在这些至关重要的领域取得突破。

 

比如像材料学领域一旦突破，不管是新能源汽车（电池），还是可控核聚变，都会有巨大的飞跃。

 

包括像人工智能领域，也是急需要量子计算机来突破。

 

所以，即使我们不能很快把量子计算机变成通用型计算机，但我们也可以先把量子计算机发展成专门处理这些概率可能性问题的专用机，单单这样，就可以给人类科技水平带来突破瓶颈的效果。

 

这也是为什么，当前我们和美国要在量子计算机领域投入这么多去研发。

 

因为这是人类下一次科技革命的关键点。

 

而目前我国是已经在这条关键赛道上，在起跑阶段取得了领先。

 

但长路漫漫，未来的征程还很漫长，还需要我们的科学家和科研人员加油。

 

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

 

今天文章写完，发现又写了1万字，连续两天万字长文，我感觉自己的大脑都在燃烧。

 

还望大家看完文章后，能够多多分享转发文章，谢谢大家支持。

 

本文来源于“大白话时事”公众号