最近几年来量子信息领域飞速的发展,从实现2000km的量子保密干线到“墨子号”量子卫星的发射,再到2017年5月3日召开的新闻发布会宣布中国10光子量子计算机问世。再到今年三月份Google推出的72qubit的量子计算机。我们姑且不讨论这些所谓量子计算机的性能,是否达到了“标准量子计算机”的标准,就量子信息领域的热度,足以让大家耳熟能详。

对于非专业领域的朋友,可能比较疑惑什么是量子计算机?经典计算机与量子计算机的区别是什么呢?为什么现在科学界一致认为量子计算机,可以超越所有的经典计算机?今天我们就从这三个方面进行谈谈:

1、什么是量子计算机?

我相信大家对经典计算机不陌生,从1946年埃尼阿克的问世,到现在的神威太湖之光。经典计算机从原始的晶体管,到现在的集成电路,计算机的性能都有质的飞跃,然而问题来了,如果我们把集成电路中的芯片做的越小,其量子效应会越明显,电子在芯片上的转移会产生大量的热量,导致计算机的性能下降。如果按照摩尔定律,每隔18月计算机的性能翻两倍,只要我们继续提高集成电路中的芯片性能即可。然而想要在同样面积大小的电路中,集成更多芯片,除非芯片做的越来越小。当芯片做的越小,集成在一个地方的时候,散热是主要问题,其次此时芯片性能会改变的。这个问题,制约着现代计算机的发展。这就是所谓的摩尔瓶颈。

科学家们为了寻求,性能更好的计算机,便着手量子计算机的研发。经典的计算机是以2进制0/1作为数据最小的处理单元。也即一个比特可以表示0或者1。而对于量子比特它通常它是处于0和1的叠加态上,如果用量子力学符号表示$${|\psi\rangle}={\alpha|0\rangle}+{\beta|1\rangle}$$       ,更为形象的可以在布洛赫球面上表示  :

浅谈量子计算机与经典计算机-量子客

 

量子态在布洛赫球上的表示

 也即一个任意的量子比特在没有进行测量的情况下,它可以表示布洛赫球上的任意一点。所以在某种意义上可以说量子比特比经典比特的荷载信息能力强。量子计算机便是基于量子力学,以二能级原子作为比特载体的,能够处理,优化,计算等性能的物理装置。通常量子计算机分为两块,稀释制冷模块,和信息输入输出模块。

浅谈量子计算机与经典计算机-量子客

量子计算机构造示意图

2.量子计算机与经典计算机的区别?

这个问题是一个很范的概念,具体的区别见下表:

 经典计算机

量子计算机

编码单位

Bit

qubit

计算能力

线性增加

指数增加

实现

容易

困难(量子比特的操控以及比特之间的相干性难以控制)
擅长领域

基本的数值计算

无序搜索

质因数分解

大数据优化

 

浅谈量子计算机与经典计算机-量子客
IBM黑盒实验算法示意图

 

3.量子计算机超越经典计算机?

如果说量子计算机的性能超越经典计算机,这个结论没问题。但是如果说对于普通很简单的算法,量子计算机的速度未必优于经典计算机。因为量子计算机的操作成本比较高。对于量子信息中,大家常见的质因数分解,其实就是很好的例子,当给定一个数m让计算机对它进行分解。如果m比较小,经典计算机就很容易就可以计算出结果,当m为几千万以上,则经典计算机可能就无能无力了,有可能算几十年都没有结果,但是如果用量子计算机进行操作,半秒钟就出结果。所以对于现在的社会,很多材料,医学,人口优化方面,现在计算机更本算不动,当量子计算机问世了,这些问题就可以迎刃而解了。