量子計(jì)算機(jī)有多神奇？

龍學(xué)鋒

20世紀(jì)80年代初，美國物理學(xué)家費(fèi)曼提出量子計(jì)算機(jī)的概念，但30多年來，量子計(jì)算這一革命性技術(shù)，似乎總是遙不可及。而如今，事情有了轉(zhuǎn)機(jī)。2017年5月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉在上海宣布，由該校主導(dǎo)研制的世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生。實(shí)驗(yàn)測試表明，該量子計(jì)算機(jī)的取樣速度比國際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬倍，比人類歷史上首臺電子管計(jì)算機(jī)和首臺晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10～100倍，創(chuàng)造世界紀(jì)錄?？茖W(xué)家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)會成為未來科技的引擎，是打開無限可能性的鑰匙。

A.

所謂量子，是指構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元。人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

量子有一種特性，決定著它具有超快的計(jì)算能力，這種特性就是“量子疊加”。 這是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別——著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個(gè)佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要么是活的，要么是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。

有了這種疊加的“天性”，量子計(jì)算也就具備了并行的能力，即可以實(shí)現(xiàn)同步計(jì)算。按照科學(xué)家的說法，經(jīng)典計(jì)算機(jī)在二進(jìn)制算法中只能“非此即彼”：要么是0，要么是1。量子計(jì)算機(jī)卻擁有了“0和1同時(shí)存在”的能力。

一個(gè)經(jīng)典比特（如由幾百萬個(gè)電子組成的高電平和低電平狀態(tài)）每次只能處于“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)中的一個(gè)，而一個(gè)量子狀態(tài)可以同時(shí)處于“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。當(dāng)可操縱的量子數(shù)量增多，其計(jì)算能力就會呈指數(shù)級上升。

指數(shù)級上升的威力有多大？有個(gè)棋盤麥粒的經(jīng)典故事很能說明問題。在印度有一個(gè)古老的傳說：舍罕王打算獎(jiǎng)賞國際象棋的發(fā)明人——宰相西薩·班·達(dá)依爾。國王問他想要什么，他對國王說：“陛下，請您在這張棋盤的第一個(gè)小格里，賞給我1粒麥子，在第二個(gè)小格里給2粒，第三個(gè)小格給4粒，以后每一小格都比前一小格加1倍。請您把這樣擺滿棋盤上所有的64格的麥粒，都賞給您的仆人吧！”國王覺得這要求太容易滿足了，就命人給他這些麥粒。當(dāng)人們把一袋一袋的麥子搬來開始計(jì)數(shù)時(shí)，國王才發(fā)現(xiàn)：就是把全印度甚至全世界的麥粒全拿來，也滿足不了那位宰相的要求——如果1秒鐘數(shù)2顆麥粒，要花費(fèi)上億年才能數(shù)完。

同樣的道理，如果量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力也呈現(xiàn)指數(shù)級的增長，那么一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題將“迎刃而解”。以大數(shù)因數(shù)分解為例，經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬年，萬億次量子計(jì)算機(jī)分解這個(gè)大數(shù)，則僅需1秒鐘。

B.

人們之所以對量子計(jì)算機(jī)充滿期待，和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遭遇的種種問題不無關(guān)系：近年來，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)逐漸遭遇功耗瓶頸、通信瓶頸等一系列問題，其性能增長越來越困難，探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)的需求應(yīng)運(yùn)而生。

量子計(jì)算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。舉個(gè)例子，使用億億次的“天河”二號超級計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量方程組，所需時(shí)間為100年，而使用一臺萬億次量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

再打個(gè)形象的比方，目前我們常用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，在提取某個(gè)需要解決的問題時(shí)，需要把所有可能性列舉并驗(yàn)證一遍，才能“找到”正確的信息，這相當(dāng)于一個(gè)擁有雙手的人，一個(gè)時(shí)間段只能做一件事情;而量子并行計(jì)算能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息，相當(dāng)于一個(gè)擁有2的N次方雙手的千手觀音，可以同時(shí)做2的N次方雙手可以做的事情。

想象一下，你被要求5分鐘內(nèi)在一個(gè)大型圖書館某一本書的某頁上找到一個(gè)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉袔浊f冊書。但是如果你處于幾千萬個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就是像瘋子一樣的那個(gè)你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)能將你復(fù)制出幾千萬個(gè)，每個(gè)只需翻找一本書即可。

（選自《百科知識》2017年第12期）

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練習(xí)

1.文章中畫線句子使用了什么說明方法？有什么作用？

2.請你給文章A、B兩處擬寫恰當(dāng)?shù)臉?biāo)題。

3.量子計(jì)算機(jī)最突出的特點(diǎn)是什么？

4.文章中作者引用了棋盤麥粒的經(jīng)典故事有什么說明作用？

5.量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的區(qū)別是什么？

（李傳鵬 設(shè)計(jì)）

（參考答案見79頁）