数博前沿丨谁能在量子计算机“竞赛”中胜出？

　　前天，科技圈的“重磅”、“突破”，可能又是一条“明明每个字都认识”系列的新闻：

　　中科院在5月3日宣布中国建造了世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机，自主研发10比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。

其实中科院就是想用一条重磅新闻告诉你，以后别动不动看见什么重磅新闻就震惊，量子计算机这件事我们自己也在做。而且不管谁突破了，你还不是照样看不懂。┑(￣Д ￣)┍

根据中科院的介绍，中国2016年就首次实现了10光量子纠缠操纵，随后在此基础上构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机，速度比之前国际同行所有类似实验快了至少2.4万倍。

对关键词进行提取之后得到这条新闻的要义：中国建造世界上第一台10比特量子计算机。

而上一次的突破是Google在2015年联合NASA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。

所以突破点在于这10比特，相较于Google之前维持的世界纪录和IBM在2016年实现的5个量子比特的量子计算机，这是头一次有人把可操作的量子比特上升到两位数。

那么问题就来了，为什么要这么仔细的一个量子比特一个量子比特的去竞赛呢？一个比特的提升也这么值得欢呼吗？

在4月23号，Google刚立了一个Flag，要在年底打造出世界上第一台可以超越传统计算机的量子计算机，实现49个量子比特的操控，实现“量子霸权”。

　　

虽然不明白，但是好像很厉害，这个量子霸权究竟是什么东西呢？根据目前主流的说法：

“量子霸权”是美国加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔发明的词，它为量子计算机设定了一个初步的标准：目前顶级的超级计算机能够完成成5到20个量子比特的量子计算机所做的事情，但超过49个左右量子比特后，量子计算机的能力让超级计算机望尘莫及。

所以说现在所出现的量子计算机，其实还不够“重”，并没有达到传统超级计算机的水平，但是达到量子霸权的水平之后，量子计算机就有可能成为传统计算机的替代者了。

所以对于上面那个答案的回答，可能是，谁都想在下一场所谓计算机革命的山头插上自己的旗。

虽然我们的电子计算设备的计算能力每年仍在提升，但其实支配传统计算机速度继续翻倍的摩尔定律已经快撑不下去了。而我们至今还没达成在手机上玩3A大作的梦想（科学家谁管你这个），所以如果量子计算机有了突破性进展，那么也就意味着将再一次迎来二十一世纪初那段日子——每年的新电脑都能给你带来爆炸的体验提升。而其所带来的变革也会更大，比如什么VR、AR、人工智能也就都不在是现在这幅半成品模样。

从2015年开始这场竞赛就已经很激烈了，主要的玩家有Google，IBM，Intel，Microsoft，但是Intel专注硅量子点技术，微软则选择拓扑量子计算，两者都比较冷门，主要的竞争就只在Google和IBM之间。

此前的中国一直没怎么在这场竞赛中露面，这次推出号称“中国首台量子计算机”，背后有中科院也有阿里巴巴。

量子比特，也就是各国各大佬在逐个竞赛的东西，它遵循两个基本原理：量子叠加和量子纠缠，能实现计算能力质的的飞跃。

简单来说，量子计算机和传统计算机最大的不同之处就在于量子。中科院是这样解释的：

传统计算使用的运算规则是二进制的，用0和1记录信息状态，每一步能做到的只有2的一次方——2次运算。量子计算机由量子状态来描述信息，它们拥有更快速的运算方式。比如，2个量子态（也可以称作“2个比特”）的量子计算机，每一步可做到2的2次方——也就是4次运算。3个比特的量子计算机，每一步可以对信息做到2的3次方——8次计算。

这就是量子叠加，能同时处于两种状态的量子能并行处理两个问题，相当于左手和右手同时都能写作业，而每增加一个量子，这样的能力还要继续翻倍。

“薛定谔的猫”所描述的就是一个量子力学的理想实验：盒子里是猫和毒药装置，毒药装置里的粒子衰变后会让毒气释放，猫吸入毒气后会死亡。根据量子力学的原理，但在打开盒子观测之前，这只猫永远都同时存在死和活的叠加状态。

　　

这同时也导致了观测带来的量子的不稳定性，只要打开盒子，猫的状态就塌缩成一种，要么死了，要么或者，但你并不知道塌缩是什么时候发生的。量子跟这只猫差不多，再被你看到真相之前，它是多种状态的叠加，一旦介入观测，就会坍缩成一种固定状态。

叠加的状态很神奇，但这只是第一步，量子计算机在实现量子叠加之后还要实现量子纠缠，也就是让量子之间相互作用，这个概念更神奇，爱因斯坦曾经叫它是诡异的超距离作用（spooky action at a distance）。

纠缠这个词十分具有想象力，不管对于人类还是量子来说，“纠缠”都带着一股神奇的力量。比方说，尽管你已经和前男友分手了，他还是能不断的打电话发短信让你心烦。

量子纠缠的力量要更古怪一些，它甚至不需要电话、短信或者任何通讯介质。如果两个粒子的距离足够近，它们就会纠缠在一起，即便把这两个粒子分开，再远，天各一方，它们还会保持纠缠的状态。而且只要两个粒子纠缠上了，就算没有手机、邮件、以及任何沟通方式，只要你对一个粒子进行测量，在遥远的另一方的粒子状态也会受到影响。

　　

纠缠是实现量子计算必须的一步，但因为量子的不确定性也很难实现。除此之外，超导体运行需要极低的温度，就算理论的问题解决了，不能接受在零度以下玩电脑也不能实现让量子计算机走进千家万户。对于这一点，IBM想到的解决办法是将超导电路置于庞大的零度以下电冰箱中，然后将五个量子比特的计算机以平台的形式进行共享。

说了这么多，但其实到现在也还是没有一台实用的量子计算机，并且扩展性可编程性也有待解决。但是就说如果量子计算机真能按计划发展，先从算法来讲，对于各位程序员来说首先就是一击。

　　

　　截图来自知乎

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　　2017.5.26~5.29

　　中国·贵阳

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