量子計算機，如何吊打傳統(tǒng)電腦？

量子計算已經(jīng)成為了世界各國未來科技發(fā)展的必爭之地。美國提出「無盡前沿法案」，預(yù)計投入千億美元布局量子計算等10個領(lǐng)域；歐盟也投入10億歐元，推行量子旗艦計劃。中國的十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要，也明確要加快布局量子計算、量子信息等領(lǐng)域。

現(xiàn)在很多人都認為，量子計算會引領(lǐng)下一波技術(shù)變革的浪潮。世界技術(shù)變革已經(jīng)經(jīng)歷了三波重要的浪潮，一個是互聯(lián)網(wǎng)和個人計算機的興起，一個是移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機的興起，第三個是萬物互聯(lián)與智能設(shè)備的興起。而量子計算，大概率會是未來科技發(fā)展的新起點。

國內(nèi)外巨頭公司也紛紛跟進量子領(lǐng)域，谷歌IBM英特爾都在造自己的量子計算機，特別是2019年谷歌宣布實現(xiàn)量子霸權(quán)。中國在量子計算領(lǐng)域也有世界領(lǐng)先的技術(shù)，2021年中科大潘建偉院士團隊研發(fā)了九章二號和祖沖之二號量子計算機，比超級計算機快了10的24次方倍。

似乎到了量子計算領(lǐng)域，數(shù)字要么特別特別小，只有幾個電子大小，要么特別特別大，性能提升后面放多少個零都不夠用。

不久前，百度召開了量子開發(fā)者大會，并且發(fā)布了名叫「乾始 」的超導(dǎo)量子計算機，以及名叫「量羲 」的全平臺量子軟硬一體解決方案。說明百度也已經(jīng)開始布局量子計算領(lǐng)域了。

但可能很多人都和我一樣，看到量子計算的時候都會有茫茫多的疑問。量子計算機究竟是什么？它有哪些好處？它到底能干什么事兒？為什么這些大公司都在拼命布局這個領(lǐng)域？作為一個量子物理的外行、計算機領(lǐng)域的半個內(nèi)行，我也是刻苦學(xué)習(xí)了一下量子計算機的皮毛。今天我們來就看一看這個引領(lǐng)未來科技發(fā)展的量子計算，究竟是什么；以及造一個能用的量子計算機，到底有多難。

1.  什么是量子計算

和傳統(tǒng)計算機相比，量子計算機到底有什么優(yōu)勢呢？它最大的優(yōu)點，就是比傳統(tǒng)計算機的運算速度快的多的多的多，以至于它速度提升的倍數(shù)，1后面的0數(shù)都數(shù)不清。

舉個例子，在破解密碼的時候需要用到的一個關(guān)鍵操作，就是對一個數(shù)進行質(zhì)因式分解：這個我們在小學(xué)可能就學(xué)過，比如把15分解成3和5的乘積，把63分成3乘3乘7的乘積。

這個操作看起來很簡單，但當一個數(shù)很大的時候，分解起來就非常難了。比如對300位的數(shù)字進行質(zhì)因式分解，傳統(tǒng)計算機開足馬力可能也要算15萬年！但是對于量子計算機來說，就可以算的非常快，1秒鐘就可以完成。

那么為什么量子計算機能算的這么快呢？這是由它的工作原理決定的。不過在介紹量子計算機的工作原理之前，有必要先簡單了解下傳統(tǒng)計算機是如何工作的，只有這樣才能直觀知道量子計算機到底提升在什么地方。

傳統(tǒng)計算機的最小組成單位是晶體管，它本質(zhì)就是一個開關(guān)，所以計算機最本質(zhì)的工作原理就是利用晶體管的開和關(guān)，去表示0和1。這也是計算機里表示數(shù)的最小單位：比特，也叫做1位。有了0和1，我們就可以用二進制表示所有的數(shù)了，比如前面的3就是011，5就是101。我們還可以用很多個晶體管組成各種電路來完成特定的運算，比如加減乘除。然后這些簡單的電路可以再組合成更加復(fù)雜的電路，最終形成一個完整的計算機芯片。

現(xiàn)代計算機芯片里包含了成百上千億個晶體管，比如蘋果的M1 Ultra里就有1140億個晶體管。也有統(tǒng)計數(shù)據(jù)說，到2025年，世界上所有芯片里晶體管的數(shù)量總和，會超過世界上所有人身體里的細胞數(shù)量總和。毫不夸張的說，現(xiàn)代文明就是建立在這一個個小小的晶體管上的。

但是盡管有這么多晶體管，它們卻有一個根本的問題，那就是每個晶體管在同一個時刻只有一個值。因為晶體管的狀態(tài)要么是開要么是關(guān)，所以只能表示0或者1。也就是說，做一次計算，只能得到一個固定的結(jié)果。

所以如果要進行大量計算的時候，只有兩種辦法，一個是加快每次計算的速度，比如提高CPU的計算頻率，另外一個就是多個計算同時進行，比如采用更多的CPU內(nèi)核、或者買更多的計算機并行運行。但是對于前面說的特別復(fù)雜的問題，要算15萬年才能解決的問題，買成千上萬臺服務(wù)器可能都解決不了。這個時候，量子計算機的優(yōu)勢就展現(xiàn)出來了。

量子計算機里沒有晶體管了，它表示數(shù)的最小單位也不是比特了，而是叫量子比特Qubit。它也有0和1兩個值，但它還可以表示0和1之間的任意狀態(tài)，這個就是它的玄妙之處。這種特性有個專有名詞，叫量子疊加 superposition。

打個比方大家應(yīng)該就能理解了，上臺階的時候我們可以從一個臺階上到另外一個臺階，這兩個臺階就是0和1.我們不能說上了半截臺階，或者上了73%的臺階。這個就是傳統(tǒng)計算機的比特。但對于量子計算機，就沒有臺階了，而是一個斜坡。我們可以從坡底一步走到坡頂，但也可以走一半，或者走73%，或者站在這個斜坡上的任意地方。

量子疊加是單個量子比特的重要特點，當多個量子比特放在一起的時候，還有另外一個非常重要的特性：量子糾纏。用非常簡單的話說，就是多個量子比特會相互作用，糾纏在一起，從而形成一個整體。

量子疊加和量子糾纏這兩個特性是量子計算的關(guān)鍵，借助這些特性，就能做出很多有意思的東西。最重要的就是一次性完成多個計算，從而極大提升計算的速度。比如對于傳統(tǒng)計算機來說，兩個比特能表示四個數(shù)，也就是00、01、10、11，但某個具體的時刻只能有一個值。但對于兩個量子比特，這四個值可以同時存在。隨著量子比特數(shù)的增加，能同時表示的數(shù)也會指數(shù)級的增加，N個量子比特就可以同時有2的N次方個值，這就相當于在同一個時刻，可以進行2的N次方個運算。隨著量子比特數(shù)N的增加，這個數(shù)會變的非常大，當N=300的時候，這個數(shù)會超過全宇宙包含的所有原子的總數(shù)。相比之下，傳統(tǒng)計算機在同一個時刻只能進行一次運算，這就體現(xiàn)出性能的巨大差別了。

不過，雖然量子計算機能同時算很多次，但并不是所有的結(jié)果都是需要的。比如一加一等于二，而不是013。這時候就需要我們設(shè)計專門的量子電路，通過改變量子比特的狀態(tài)，對結(jié)果進行篩選，得到想要的一種或者多種結(jié)果。這些量子電路組合在一起，就是量子計算機。

但是值得注意的是，量子計算機暫時并不是一個通用計算機，而是一個專用計算機，也就是說，你可以專門設(shè)計一個量子計算機來做質(zhì)因數(shù)分解，而且他會做的非常非?？欤銢]辦法用它來刷視頻打游戲。至少到目前為止，量子計算機并不能取代我們現(xiàn)在用的傳統(tǒng)計算機，它們更多是相互補充、取長補短，各自在自己適合的領(lǐng)域里使用。

2. 造一個量子計算機有多難

對于所有計算機，它的核心都是芯片。只不過傳統(tǒng)計算機的核心是CPU，而量子計算機的核心是量子芯片。傳統(tǒng)CPU芯片更關(guān)注芯片制造的工藝，比如使用3納米還是5納米工藝，相比之下，量子芯片對制程工藝并沒有那么嚴格的要求，而是對芯片的運行環(huán)境有著嚴格甚至是嚴苛的要求。為了實現(xiàn)對量子比特的精確控制，就需要精確控制量子芯片周圍的溫度、震動、噪聲、電磁波等等環(huán)境因素。

就拿百度這次發(fā)布的超導(dǎo)量子計算機乾始為例，它里面的量子芯片工作在極低的溫度，達到了零下273.14度，只比絕對零度只高一點點。所以對制造量子芯片的材料也有更高的要求，比如使用更高純度的硅等等。

除了芯片本身，設(shè)計芯片用的EDA軟件也要重新設(shè)計和開發(fā)，比如需要重新采集低溫環(huán)境下電路數(shù)據(jù)，并且對電路的行為進行建模仿真。為了達到接近絕對零度的低溫，傳統(tǒng)的冰箱肯定不能用，還要用特殊的制冷機。量子芯片的數(shù)據(jù)輸入和輸出，也要通過專門的路徑和控制芯片來完成。所有的這些，其實都是量子計算機的硬件部分。

事實上除了硬件之外，軟件也是同樣重要甚至是更重要的部分。和傳統(tǒng)計算機類似，量子計算機也需要通過編程才能使用，這就需要編程環(huán)境和編程工具，他們統(tǒng)稱為量子計算平臺。比如百度的量易伏，這次發(fā)布了3.0版本，它就結(jié)合了量子軟件開發(fā)工具集SDK、云上的集成開發(fā)環(huán)境IDE，支持混合語言編程，還能從云端進行接入，并且可以連接多種不同的超導(dǎo)計算機硬件。

在接口的部分，由于量子計算機的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)計算機差別太大，也需要專門的測試、優(yōu)化與調(diào)度的測控平臺，來對接量子計算機的制冷機、微波電子學(xué)設(shè)備、量子芯片等等核心硬件。就像百度的量脈平臺，就可以將軟件程序高效編譯成量子硬件設(shè)備可以識別的脈沖信號，起到量子軟件和硬件的橋梁和紐帶作用。

雖然已經(jīng)很復(fù)雜了，但這個時候這個量子計算機還不算是能用。為了真正讓量子計算機從實驗室里走出來，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，還要解決的另外一個關(guān)鍵問題就是應(yīng)用和落地。就像人工智能里下棋的阿爾法狗、新能源汽車里的無人駕駛一樣，量子計算也必須找到自己的殺手級應(yīng)用。

除了一開始說的質(zhì)因數(shù)分解這些特別基礎(chǔ)性的應(yīng)用之外，其實人們更關(guān)心什么時候能把量子計算機用在更廣泛的領(lǐng)域，比如機器學(xué)習(xí)、互聯(lián)網(wǎng)、生物醫(yī)藥這些地方，并且讓普通開發(fā)者也能用量子計算機進行開發(fā)。

在這次百度的發(fā)布里我們可以看到，他們把百度飛槳和量子計算結(jié)合在了一起，做了一個量子機器學(xué)習(xí)平臺量槳，在里面提供了量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、量子核方法、含噪量子電路模擬等模塊，能幫助開發(fā)者快速進行量子機器學(xué)習(xí)的研發(fā)。

我覺得這對于廣大機器學(xué)習(xí)從業(yè)者來說是個好事情，是否能夠根據(jù)自己應(yīng)用的特點，并且很好的利用前面說的量子計算機的特點，從而達到N個數(shù)量級的性能提升，這個說不定會產(chǎn)生非常有意思的工作，而且這比日復(fù)一日的調(diào)參要有趣多了。

除了機器學(xué)習(xí)之外，其他不同產(chǎn)業(yè)的開發(fā)者也可以利用這個量子軟件平臺里的應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動來構(gòu)建自己的應(yīng)用。單靠一個量子計算機是遠遠不夠的，只有通過軟件和編程框架，讓普通開發(fā)者能把量子計算機用起來，讓各行各業(yè)都參與進來，一起把蛋糕做大，才能幫助量子計算真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地，這應(yīng)該也是百度為什么花大力氣去搞量子軟件的主要原因。

3. 小結(jié)

對于任何新興技術(shù)來說，開放合作、兼容并包，一起構(gòu)建健康的生態(tài)，是最重要的。有個很有趣的例子，就是量子計算剛興起的時候，如果它的性能遠超傳統(tǒng)計算機，我們就說它取得了量子霸權(quán)。但后來，人們就不說霸權(quán)了，而是把這個詞改成了量子優(yōu)越性。從這個細節(jié)其實能看到，其實量子計算并沒有什么霸權(quán)，前面說了它甚至并不能取代傳統(tǒng)計算機，二者更多的是相互補充和促進的關(guān)系。

事實上，比霸權(quán)更重要的，是通過量子計算給人類社會帶來的共同進步。量子計算對傳統(tǒng)計算機的超越，并不是結(jié)束，而是剛剛開始。

（本文不代表老石任職單位之觀點）