出品| 网易新闻学院

作者| 铁流

小编前言

金庸武侠小说《天龙八部》里有这样一个情节：段誉进了一个山洞，不小心吃了一只蜈蚣，然后误打误撞学会了凌波微步，可以瞬间转移，用来逃跑，屡试不爽。

而其实有一种理论，比这个厉害，凌波微步你还可以看到人的影子，但是这种理论就可以从A消失，同时出现在B，就是所谓的“穿越时空”，这就是一种量子理论。

另一种有意思的量子理论：薛定谔之猫

量子理论有意思吧，而我们今天要来重点介绍的是量子计算机。

5月3日，世界第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机问世，这台量子计算机由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波，浙江大学王浩华教授研究组联合研制。

那么，量子计算又是什么？相对于现在使用的经典计算机，又有什么优势呢？本次发布的量子模拟机性能究竟怎么样呢？

一、量子计算靠的是“叠加”和“纠缠”

量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式，它通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。

量子计算机原理

所谓的量子位是一个具有两个量子态的物理系统，一般在量子信息学中，量子是最小的不可分割的能量单位，基本单位就是量子位，或者叫做量子比特。而量子态呢，就是电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。

量子叠加

1个量子位同时有0和1两个状态，相应的N个量子位可同时存储2的N次方个数据。所以，量子计算机操作一次的效果就等于同于普通电子计算机进行2的N次方次操作的效果，再直白点，就是量子计算能一次完成2的N次方个数据的并行处理，这样计算速度完全秒杀传统计算机。

量子纠缠

还有一个名词你要了解——量子纠缠，处于纠缠态的两个粒子有一个奇妙特性，一旦对其中一个粒子进行测量确定了它的状态，那么就立即知道另一个粒子所处的状态。即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态，爱因斯坦把这称之为“鬼魅似的远距作用”。

因此，当量子系统的状态变化时，纠缠态的粒子状态都可以发生变化。量子计算就是利用了量子叠加和量子纠缠的特点实现了高超的并行计算能力。

超导量子计算机

高性能计算领域的“小公举”

举个例子，“天河二号”超级计算机要是求解一个亿亿亿变量的方程组，要耗上100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组，仅需0.01秒。

如果是求一个300位数的质因数，目前的超算估计用十几万年的时间来完成，而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此，量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势，是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

二、世界首台光量子计算机，到底牛在哪？

那么，5月3日在上海亮相的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机，又牛在哪呢？

中科院研制的光量子计算原型机结构图

计算能力超越早期经典计算机

想要判断量子计算到底牛不牛、牛在哪，学术界有三个达成共识的指标性节点：计算能力超越早期经典计算机是第一步，再是超越商用CPU，最后是超越超级计算机。

上述我们提到的这台光量子计算机，已经比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。

本次发布会上公开的两个量子计算原型机，一种基于低温超导系统，一种基于线性光学。超导系统那一台原型机是用来做线性方程组求解的，这台原型机实现了目前世界上最大数目——10个超导量子比特的纠缠，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。

基于超导量子处理器的线性方程解法演示

基于线性光学的原型机是用来做“玻色取样”的。实验测试表明，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快了至少24000倍。

10个量子比特的纠缠是个什么概念？

两个量子计算原型机都有10个量子比特的纠缠，这是一个什么概念？前面我们提到，量子计算需要利用大量互相纠缠的量子比特才能实现。而多粒子纠缠的操纵也一直是量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。

2015年，谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。显然，这个记录已经被中国科学家团队首次打破。

十超导量子比特的纠缠态

这种量子计算专用机运行一次，就相当于做一次超高难度的物理实验，能够制造并使用这种量子计算专用机需要非常高的操作水平。中国的研究团队还计划在2017年年底实现大约20个光量子比特的操作。

量子计算机的“心脏”研制到底有多难？

正如在电子计算机中CPU扮演了关键的角色，在量子计算机研制中，量子芯片同样是“心脏”，至关重要。

量子计算机处理器

如果将来的量子计算机要超越现有电子计算水平，需要多于1000个量子比特构成的芯片。但这种规模的量子比特构成的芯片目前的技术还做不到。

而且单纯有数量足够多的量子比特还是不行的，因为量子比特并不稳定。量子技术需要利用量子相干性才可以做计算，彼此有关的量子比特串列，会作为一个整体动作，只要对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。但是，每个量子比特都非常脆弱，很容易被环境干扰，使量子的相干性丧失，而且干扰的速度随着体系的扩大而呈指数增加，量子比特越多，干扰的速度也越快。

中国科学院量子计算实验室 资料图

这时候就必须采用纠错码技术，鉴定噪声的可能状态，在假定了噪声特性的基础上，构建纠错码系统，构建纠错容错的理论体系。比如通过纠错码过程对数个物理比特做冗余，最后生成了一个逻辑比特，逻辑比特有很好的容错特性，可以纠正干扰引起的所有错误。

如果能够达到容错预值，在外界噪声低到一定水平，操作达到一定精度之时，就可以满足容错计算。那这个精度要多高呢？以杜江峰院士研究组的研究成功为例，在传统的纠错码下量子逻辑门精度达到了99.99%，其单比特门精度已经满足容错计算的需求。

总而言之，要想研制超越现有电子计算机的量子计算机，首先要有满足容错计算的需求的逻辑比特，然后进行系统扩展，实现数十个、上百个逻辑比特，而且都达到满足容错计算的精度，这样就可以得道性能出色的量子芯片，然后在结合控制系统、测量装置等硬件和编程、算法等软件制造出量子计算机。

结语

“量子计算机是一项颠覆性的技术，一旦成功研发，就可以破解现在所有的密码，另外它还可以解决大数据等等问题。” 中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿曾说。

虽然，目前的技术成果距离真正建成性能优于传统经典计算机的标准量子计算机来说依旧有一定难度。但在量子计算方面，中国的多项成果都已打破世界记录，我们也期待超过经典电子计算机的标准量子计算机能够早日问世。

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编辑| 于冉帝