科学汇 | “九章”问世,我国首次实现“量子计算优越性”里程碑,它的“魔力”在哪里

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钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

北京时间12月4日凌晨,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队在《科学》杂志在线发表论文《用光子实现量子计算优越性》,宣告了中国量子计算原型机“九章”问世,中国科学加首次实现“量子计算优越性”里程碑。

去年,谷歌也宣告了名为“悬铃木”的量子计算机的诞生,经典计算机需要计算1万年的工作,谷歌的计算机只需要200秒。

量子计算机成为最热的词汇。那么,到底什么是量子计算机?它为什么能比经典计算机强大? 

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普通计算机的工作原理

归根结底是用二进制做加法

我们先看看,平时用的计算机的工作原理是什么。计算机很像是一个饺子机,它主要由两部分组成。一部分是货架,上面放了一些原材料,比如面粉、水、菜、肉等等。另一个是桌台,在上面可以对原材料进行加工处理,比如剁馅、和面、擀饺子皮、包饺子等。

计算机的结构也很类似。它有一个部分叫存储器,其功能相当于货架,可以用来存放各种各样的数据。另外还有一个部分叫处理器,也就是我们常说的 CPU,其作用相当于桌台,可以用来对存储器中的数据进行处理。

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无论是存储器还是处理器,都只是计算机的硬件。要想让计算机真正派上用场,还需要软件,也就是对计算机下命令的指令集。像剁馅、和面、擀饺子皮和包饺子,就是饺子机的指令集。计算机里也有很多指令集,其中最简单的指令是加法,也就是把两个数加在一起。至于减法、乘法和除法,都可以通过加法来实现。

比如,乘法其实是加法的积累。比如说1 乘 3,就相当于 1 加 1 再加 1。至于减法和除法,其实是把加法和乘法颠倒过来。

有了加减乘除,就可以让计算机做更复杂的事。比如解方程、算微积分、画图片、放视频等等。总之,计算机最核心的工作原理就是最简单的加法运算。不管多复杂的计算机指令集,归根结底都是在做加法。

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不过在做加法之前,还有一个很关键的问题要解决,那就是如何用计算机里面的元件来表示数字。计算机用的是二进制,其个位数字只有 0 和 1。到 2了以后,就得往前面的位数进位,所以二进制中的 2 要用 10 来表示。

对计算机而言,用二进制可比用十进制要简单得多。要表示二进制中的两个数字,0 和 1,只需要找出电子元件的两种不同状态。半导体二极管有一个“关”的状态和一个“开”的状态。用“关”来代表 0,用“开”来代表 1,这样就可以在计算机中表示二进制的数字了。

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计算机的工作原理,就是在二进制的基础上,实现加减乘除。世界上第一台计算机在1946年美国的宾夕法尼亚大学诞生,它是个占地170平方米,重30吨的庞然大物,有18000个电子管,每秒钟可以运算5000次。

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在当时看来,这是非常惊天动地的速度了,到了今天已经微不足道。我们现在的家用电脑的CPU,就可以轻松进行每秒50亿次的计算。我国的天河二号超级计算机,其计算峰值是每秒5.49京次(1亿亿次为1京)。

什么是“量子优越性”

量子计算机为什么强大

接下来我们可以说说量子计算机了。

同学们这几天一定在很多媒体上看到“量子优越性”这个词,听起来非常霸气。其实,这只是一个科学术语,它的意思是,量子计算装置在某些特定的问题上,运算速度超越所有的经典计算机。

为什么量子计算机速度可以那么快呢?

因为一个量子计算机中的元器件,可以既处于开的状态,又处于关的状态。就像那只著名的“薛定谔猫”,可以同时处于死和活的“叠加态”。

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叠加态有什么作用呢?这就像我们走迷宫,如果是一个人走的话,他每次遇到一个岔口,就得做出一个选择,这就像普通计算机。但如果我们将水灌进迷宫中去,水在每一个岔口,同时做出所有选择,这就像量子开关,同时处于开和闭的状态。

前面讲过,经典计算机里的电子原件,它在某一时刻只能处于1种状态,0或1。那个电子元件就是最小的信息单位,叫做一个“比特”。但一个量子比特,它可以同时存在2个状态。假如有2个量子比特,就同时有4种状态;3个量子比特就有8种状态。以此类推,n个量子比特,可以有2n个状态。同学们可以看到,随着量子比特数量的增加,量子计算机的并行运算速度是指数增长的。当我们拥有50个量子比特的时候,250个状态是非常庞大的天文数字,这样的量子计算装置,已经可以实现“量子优越性”。

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事实上,谷歌去年开发的“悬铃木”,就是拥有53个超导比特的量子计算机原型,经典计算机花1万年计算的事情,悬铃木只需要200秒。

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而“九章”有76个光量子,它的速度又比谷歌的悬铃木快了一百亿倍。

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基于量子计算的算法,可以在气象预报、药物分析、基因分析、经典密码破译等方面发挥重要作用。

兴趣小组

“九章”和“悬铃木”各有所长

“虽然‘九章’和‘悬铃木’分别被设计用来处理不同的问题,但如果都和超算比的话,‘九章’等效地比‘悬铃木’快了一百亿倍,且克服了样本数量依赖的缺陷。”陆朝阳接受媒体采访时这样说。

量子计算的基本原理虽然很简单,可是实现它是非常困难的。主要原因是微观的东西我们很难控制。量子开关很容易被环境影响,一旦被影响,量子叠加态就被破坏了。就像那只薛定谔猫,如果我们打开盒子去“观测”,它就不再是一只既死又活的量子猫,而是一只普通的活猫或者死猫。这个过程叫做“退相干”。

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所以说,实现量子比特的相干操纵,是做成量子计算机的关键。除了硬件,还需要算法,将一个问题化解成具体操作。

量子计算机有两种,一种是“量子模拟机”,它只能处理单一的任务。就好像,Alpha Go只会下围棋,它不会下象棋。另一种是通用机,它可以处理各种各样的任务。

我国的“九章”和谷歌的“悬铃木”,都只能用来解决特定的问题。

“九章”只能做“高斯玻色取样”,在这个特定任务上,它的速度超越了所有的计算机。

但谷歌的“悬铃木”采取的超导量子比特,具有通用化的优势。如果有足够的量子比特且持续时间够长就能做任何运算。事实上,我国也同时在做超导量子比特的研究。潘院士今年在西湖大学公开课上的演讲上曾透露,目前正在开展60个超导比特的量子相干控制,如果做成,可以比谷歌的悬铃木快三个数量级。

但是这距离通用量子计算机的出现,还有很长的路。

考考你

杭州高级中学西安交大少年班班主任冯汉

当我们拥有50个量子比特的时候,如果任选40个,请问这样的选择有多少种?

参考答案:


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杨文晋
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lyf
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还需要继续努力。

153****9352
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看不懂呢。

高小毕业
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