OQ充电站 | 量子计算机会完全取代传统计算机吗？

Q1「遇事不决量子力学」&「不自量力」？

关于量子力学有两句话，第一句话是「遇事不决量子力学」，很多好莱坞电影和一些卖概念的商品会把量子吹得神乎其技，所以老百姓容易把量子玄学化，但量子力学本身是一门非常严谨的科学，研究微观体系下物质的运动规律，不像宏观世界，可以看见苹果从树上掉下来、车在路上行驶等遵循牛顿宏观力学原理的现象，微观体系下的电子和光子存在很大的不确定性，还可能有叠加状态和著名的量子纠缠现象，所以只靠想象很难理解量子本身。第二句话是「不自量力」，意思是不要自己去学量子力学，容易越学越懵，很多人觉得自己学得明白，但可能完全是不正确的理解。

Q2量子计算与传统计算有什么本质区别？

就经典计算机而言，无论是手机、电脑、笔记本还是非常厉害的超算，它们最基础的运算单元都是晶体管，打个比方，晶体管的运行原理类似三峡大坝，有开关可以控制电流，因为计算机不像大脑以十进制接收信息，它是二进制，只包括通和不通两个状态，这也是 0 和 1 说法的来源。但现在经典计算机面临着巨大挑战，如今的工艺技术可以把晶体管做到只有几个纳米小，一个纳米大约是十个原子的厚度，可以说是进入了微观世界，在微观体系下，电子有量子隧穿效应，可以直接穿过开关，这就导致了经典计算机晶体管无法再缩小。

上世纪80年代，费曼第一次提出量子计算的概念，把量子力学和计算机结合起来。很长一段时间内，科学家和工程师们为了追求更高的算力，不停地缩小经典计算机晶体管，不断提高集成度以换取更高的算力。经典计算机几十年来一直遵循摩尔定律，每18个月晶体管集成度提升一倍，算力也提升一倍，但现在无法继续了。因此他提出，为什么要长期遏制量子效应的发生，而不是直接用量子力学原理改善下一代计算机体系？

图片来源：JARA在半导体上做量子计算，类似于放弃三峡大坝的现有结构，不再建一个个水坝，而是建一个个水库，用量子点建一个个很小的区域在里面，并且把所有电子都排空，然后可控的往里面扔一个电子。原来的经典计算机是电流通和不通的状态，现在则是从电流里抓取一个电子放到量子点上，然后把0和1编译在电子的自旋上面，可以简单理解成地球仪自转，左转右转分别表示0和1，是两种状态，但是如果把地球仪的两个卡点去掉，它还可以上转、下转或斜着转，这就是量子的叠加状态，可以位于0到1之间的状态，不像经典计算机只能位于0或1，量子计算机每一个比特的状态都可以位于0和1之间。量子计算有天然的并行运算能力，从编码上实现天然的并行运算可以指数级提升算力。Q3量子计算的颠覆性究竟体现在哪里？量子计算机有两个著名的算法，其中一个是量子计算的shor算法，也叫大数分解，对于经典计算机来说，713是哪两个质数相乘得到的，这个计算还不是很难，但如果是291311，就很困难了，不过对量子计算机来说这很容易。现在很多加密都基于大数分解，编译密码的人很清楚是哪两个质数相乘得到的这个数，但反过来，把大数分解成两个质数就很困难，这就是大部分密码所使用的RSA体系。目前最长的密码使用二进制可以加到1000多位、2000多位，如果让经典计算机去破解这样的密码可能需要几百年，甚至几千年，还是全球计算机加起来的基础上。但如果有一台成熟的量子计算机，那么可能几分钟就解决问题，因为它的 shor 算法决定了能很快地解决这一类数学问题。

人类目前还面临很多需要更强算力解决的问题，比如金融行业优化组合高频交易问题，生物医药方面新药研制问题，目前研究一款新药要几十年，成本非常高。新冠疫情下，我们接种的疫苗也未必是最优解，但是未来使用量子计算机，可能几周或者一两个月就能研制出最优解的药物，包括未来智慧城市有几十万辆车，几百万个信号灯的情况，怎么控制城市交通不拥堵，这些都是需要算力的经典场景，也是未来量子计算颠覆性的体现。Q4量子计算机会完全取代经典计算机吗？

这是一个非常大的误区，至少从人类现有的知识水平来看，量子计算机和经典计算机在处理问题的领域上是不同的，量子计算机更擅长处理海量数据并行运算、矩阵运算、线性代数等问题，但计算加减乘除就未必有经典计算机快，量子计算机一般用来解决需要超大算力的问题，未来量子计算机替代的更多是现在需要用超算解决的问题。

从另一个层面看，人类目前还处于经典计算机的世界，大家通过互联网直播的方式，可以看到我的样子，听到我的声音，这都是确定的状态。但在微观体系下，量子状态是不确定的，所以量子计算机的交互最终还是要通过经典界面或经典计算机去呈现，并反馈给人类，这也正是经典计算机存在的价值之一。未来的 5 到 10 年，量子计算机更像是经典计算机的补充或加速器，例如新药研制、气象问题等就需要交给量子计算机去处理，但日常问题使用手机或电脑就可以解决。

Q5为什么说量子信息技术是第二次「量子革命」？第一次量子革命早已和我们的生活息息相关，量子力学本身就已经在服务于人类了，只不过利用的是量子力学在宏观体系下的原理，例如基于量子力学理论创造的经典计算机中的半导体、激光等。第二次量子革命最典型的体现是人类真正意义上控制微观体系下的粒子，使用现有技术抓取电子、原子，甚至通过制作原子来完成某些操控任务。另外，第二次量子革命还体现在信息领域，包括以量子保密通信、量子精密测量，和量子计算为主要方向的三个领域。Q6量子计算机未来的发展阶段？第一阶段是 2010年到2020年，谷歌、IBM 进入量子计算领域，这十年时间是量子计算原型机的研制和开发，将零配件进行组装，让机器能够完整运行。IBM 和谷歌在2016、2017年完成原型机组件工作，本源量子是在2020年完成的。第一阶段中国和一些发达国家，以及很多研制量子计算的国家都已经相继达到了这个水准。

第二个阶段是2020年到2030年左右，专用量子计算机的时代。专用量子计算机是指解决特定问题，比如为新药研制专门造的量子计算机，就只能解决药物研制的问题，不能去解决其他问题。第二阶段在硬件上需要快速提升的各个参数指标，例如更多的比特数，更长的比特相干时间、操作准确度等。

第三阶段是2030年后，能够解决各类问题的通用量子计算机的时代。要想使其达到通用级，首先要解决量子计算机纠错容错的问题，需要迭代更多的的时间和技术。