量子计算的十个方面的问题

发布时间：2023-03-23 08:36:17 所属栏目：动态来源：

导读：随着人工智能大模型、量子计算、类脑智能、云原生、数字引擎、影视频等技术的深入发展，新技术、新模式和新业态持续涌现。针对上述领域，我们策划了一个科普系列栏目《T-chat前沿热点问答》，以十问十答的形式，用通

随着人工智能大模型、量子计算、类脑智能、云原生、数字引擎、影视频等技术的深入发展，新技术、新模式和新业态持续涌现。针对上述领域，我们策划了一个科普系列栏目《T-chat前沿热点问答》，以十问十答的形式，用通俗的语言，与大家交流最新、最热的前沿科技话题。本文是T-Chat 系列第二篇。也欢迎大家指导，并提出感兴趣的问题一起研究，持续替代认知,一同砥砺前行。

除了巧思妙答的ChatGPT以外，近期另一个引人关注的热点话题，就是量子计算机了。它一边在科幻电影《流浪地球2》中，扮演拥有强大能力和智慧的未来计算机“MOSS”，一边又以“The Quantum Leap”（量子飞跃）为题，登上著名期刊《时代》杂志的2月封面。可对于一般大众来说，在网络上看到的诠释和解读，似乎只能带来高深莫测的模糊感；一连串似懂非懂的概念，也终于只能沦为人们的谈资里一些似懂非懂的只言片语。

那么，对于量子计算机，我们究竟应该如何理解呢？它和ChatGPT有什么关系？身处数字时代的崭新阶段，我们又应该如何正确认识它、利用它、并对它有一个更加现实的期待呢？量子计算十问十答为你一一道来。

量子（英文：Quantum），是一个现代物理学的重要概念，被认为是组成浩瀚宇宙、世间万物最小的、不可分割的物理单位。比如太阳光，是由光子组成，而光子所携带的能量目前还不能被进一步分割，所以光子可以叫做量子。此外，电子、中微子和夸克也都可以叫做量子。而原子、离子、质子、中子等微观粒子，它们所携带的能量因条件不同而不同，所以不能简单判断是否能叫做量子。

量子的物理特性，与自然界中的物体（如足球，饮料瓶）完全不同，甚至超出我们一般人的常识和想象：比如量子既可以像被踢出的足球一样在空中沿曲线飞行，也可以像水波一样上下波动地向前飞行；又比如将一只饮料瓶静置在水平桌面上，瓶子只能保持“正立”、“倒立”和“横躺”这三种状态中的一种，而同样静置桌面的量子，却可以同时保持“正立”、“倒立”和“横躺”这三种状态。

目前，算力是基于我们熟知的、以CPU为核心的计算技术来实现的；而未来，量子计算技术，则是更先进、更有希望实现未来算力的下一代计算技术。量子计算技术犹如科技巅峰上的一颗璀璨明珠，备受学术界和工业界的关注。

对于咱们老百姓，量子计算机离我们还有些远，但值得期待。虽然量子计算机的成熟应用，预计还需要数十年甚至更长的时间，但是它在一些细分场景的逐步应用，应该会在不久的将来，给我们带来一些惊喜。比如，辅助研制疑难杂症特效药、加快研发更轻便舒适的新型布料等等。当然，量子计算机作为商品走进千家万户，可能还是更遥远的事情，不过谁也无法预测技术发展与普及的速度。

量子计算机的最小计算元件，要比普通计算机（智能手机、笔记本电脑、工控机、服务器等）先进得多，强大得多。这是两者最根本的区别，并由此衍生出其他7个方面的区别。

这个问题的答案有些难懂，不过我们尽量以通俗的方式来讲解。如果你能耐心看完下面的叙述，并尝试弄懂它，那你就初步掌握了理解甚至预测未来数字文明趋势的密码。

计算工具，是人们为了能更好地运用数学而发明的工具。比如算盘，电子计算器，计算机。通常，人们先将要解决的问题进行拆解和抽象，成为若干输入条件和数学模型，再使用计算工具来进行计算，最终从计算结果中获得解决问题的参考。

量子计算机：量子计算机的最小计算单元是量子计算机核心组件 - 量子处理器（QPU）上的一个量子，可以表示的数值可以是0，或者1，或者是0和1的一系列概率上的组合（比如：80%的0+20%的1，或者40%的0+60%的1，等等。这里比较难懂，不用理解，知道就好）。当人们通过量子计算机的输入设备，给量子发射特定的电脉冲，来使量子表示不同的数值。一个量子在量子计算原理中，代表一个最小计量单位，叫做量子比特（英文：Qubit）。

到这里我们可以发现，一个量子，可以表示的计算数值，比一个晶体管要多很多。这好比孙悟空和普通人相比，本领更大；进一步，因为量子的“叠加态”特性，一个量子可以同时保持多种状态，也就意味着它可以同时表示多个计算数值。这就好比孙悟空不仅本领强大，还同时有多个分身，每个分身都和他一样强大。

了解完根本区别后，就开始揭晓“量子计算机和我们常见的计算机，有哪些区别”的其余答案：

1、制造最小计算元件的技术不同（量子芯片工艺）：量子计算机的芯片，目前有超导、光量子、离子阱等多种技术路线制备，而经典计算机的芯片，主要采用光刻机；

2、单个芯片内包含的最小计算元件数量不同：最新的英伟达GPU H100，包含约500亿个晶体管，而IBM最新公布的量子芯片Osprey仅包含433个量子；

3、计算能力的不同：仅拥有约50个量子的量子计算机，在完成特定计算任务时，已经可以比现在算力最强的经典计算机快数千倍、甚至数万倍以上；

4、硬件系统不同：由于芯片工艺不同，且处于研发早期，相比经典计算机，目前的量子计算机均需要专门的配套设备和系统。比如：制冷机，数模控制系统等等。这也使得目前的量子计算机从外观上显得比较笨重，有些像60年前刚问世不久的电子计算机；

5、软件系统不同：一方面，量子计算的算法和应用程序，都需要适配量子计算原理，和经典计算机有很大不同。不过很多研发团队已经推出量子计算软件开发工具（如IBM的Qiskit，谷歌的Cirq等），使开发更加便捷；另一方面，无论是算法还是应用程序，因为要转换成量子可以运行的指令，量子计算机需要专门的编辑器，对软件进行编译；

6、应用领域不同：业界一般认为，当前的量子计算机，相比经典计算机，会在以下的一些领域应用更广：材料和药物研发，金融投资组合优化，物流调度，机器学习训练，气象预测等，而经典计算机已经广泛应用于所有领域，带动着整个社会的数字化。

7、技术成熟度不同：经典计算机自1946年第一台电子计算机问世以来，历经60余年，技术、工艺和产业链已经趋于成熟，既可以做得如智能手表一样小巧，又能在一块芯片上集成几百亿个晶体管；而量子计算机的工程研发是从2012年前后才真正开始，到现在仅有10年，目前公布的量子计算机，更像是原型机和技术验证机，各项技术、工艺、以及产业链都还不稳定，更谈不到完善。

从数学的角度看，计算复杂性理论中，有一类问题叫做“BQP问题”，是理论上可以由量子计算机多项式时间内可以解决的问题。典型的BQP类问题有：整数分解问题，离散对数问题，模拟量子系统中的一些问题等等。由此看来，在目前数学能够认知的问题领域中，量子计算机能够解决的问题，只是其中一部分。

简单总结，量子计算机更适合计算那些如果用经典计算机来计算，即使用最好的算法，计算量也是非常大的一部分问题。一个形象的例子，就是“大海捞针”问题：这道题的算法很简单，就是找遍大海的每一个针可以掉落到的角落。但是这道题的工作量巨大，需要搜寻整个广袤的大海，从海面到海底。类似的问题，还包括在没有索引的情况下，在一个电话簿里查找一个号码，在海量人脸中找到你的头像，等等。即使如此，BQP一类问题也已经可以映射到金融投资组合优化、物流和交通优化等许多应用场景。如果量子计算机未来真正解决了这些问题，对社会的贡献也是巨大的。

值得一提的是，当前热议的ChatGPT等人工智能模型技术的研发，也可能和量子计算相关。虽然还没有确定性的答案，但量子计算有希望在模型压缩、以及训练速度和模型性能等环节，对大模型的研发和提升起到积极作用，值得进一步关注。

从物理的角度看，量子计算机利用的是微观粒子的的特殊力学原理来实现计算的，所以那些同样以量子力学为基础理论的科研及实际应用问题，理论上就更加适合由量子计算机来解决。我们可以直接想到的，如计算化学，分子模拟，新材料研发，医学药品研发等等。这些问题都是在研究和利用原子分子级别的物质特性，研制具有特殊性能的、大自然中不存在的原子或者分子结构。量子计算机很可能是未来更优的选择。

再简单说下量子计算机不擅长的。由于量子计算机的实现原理，目前的量子计算机的研发过程中，存在一个重大的难题：噪声问题。简单说，就是在操作量子进行计算的时候，量子本身的稳定性、量子之间相互的影响以及操控动作本身，均会产生计算任务本身不需要的干扰。而这些干扰会直接影响计算结果的准确性，甚至会造成计算中断和失败。虽然科学家在不断改进量子的退相干和纠错技术，提高计算准确的概率，但依然达不到百分之百。

当前的量子计算机还不能直接计算出一个结果，只能在一定的概率下，通过观测得到一个确定的结果。就好比让现在的量子计算机计算“1+1”，只有一定的概率可以得到2的结果，更不要说让量子计算机来计算更复杂的问题了。

虽然经典计算机也会算错，但经典芯片已具备自动发现错误和修复的能力，因此最终可以得到准确结果。所以这一类精确的数值计算问题和逻辑判定问题，当前水平的量子计算机相比经典计算机，是不擅长的。但是，量子计算领域也在研发适合量子特性的纠错技术，量子纠错码和量子容错理论可以通过精巧的数学设计，用多个不完美的量子比特产生更为完美的量子比特，并通过特定容错量子操作，来实现更多步骤，实现更精确计算。最终，随着采用的纠错码越来越强大，最终可以将整个计算过程的错误率控制到接近于零。这样，量子计算机就可以精准进行我们想要实现的计算了。

上个问题我们讨论到，计算机并不是无所不能的，但以目前人类的科技实力，造出具备超越人类知识和智慧的能力、解决复杂科学难题、甚至支撑“元宇宙”这样庞大虚拟世界体系的强大“未来计算机”，也不是完全不可能。正如人类数百年前发明第一台蒸汽机，而后逐步迭代技术和组织形式，建立工业生产线和产业链一样，未来计算机的制造，也要紧跟不断演进的计算科学技术，逐步实践、迭代和研发，多方主体共同努力能有机会实现。

“擅长的人做擅长的事”，这是目前行业对于未来计算机发展的一个比较明确的共识，换句话说，就是把不同的计算任务，分配给擅长的计算单元和计算系统来完成。之前提到，经典计算机和量子计算机有各自擅长的计算任务，所以如果设想未来计算机的制造思路，一个非常重要的举措就是：造出量子计算机，并将量子计算机与经典计算机相结合，进行系统集成甚至连接成算力网络。

制造量子计算机的硬件系统，由于目前尚处于早期研发阶段，技术难度相对高很多。首先，需要制造量子计算机的核心计算单元——量子处理器（英文简称QPU，也称量子芯片）。QPU是制备和保存量子计算的最小计算单元“量子比特”的硬件系统，功能类似CPU。目前制备量子比特的技术路线至少有7种，被头部量子计算机研发机构采用的，有超导量子、光学量子、和离子阱，还有中性冷原子、量子点、金刚石NV色心、拓扑量子等，也均在不断研发中。

量子计算机同样需要软件。首先，需要一系列底层软件，类似现在的“主板驱动”和“操作系统”，来管理和操控量子计算机硬件，编译和运行量子计算软件；其次，需要“编程语言和工具”，来编写量子软件和算法，因为量子计算机的原理和普通计算机不同，所以也需要特殊的语言和工具；第三，为了解决现实中的实际问题，量子计算机需要安装对应的量子软件，如量子化学分析软件，量子模拟软件等；第四，在量子软件内部，一般装载着相关的量子算法，来完成计算工作；

将以QPU为计算核心的量子计算机，与以CPU+GPU为计算核心的经典计算机相结合的科研探索，已经在高性能计算领域首先开始。高性能计算，是追求极致算力的计算机领域，它引领了整个计算机行业的发展，很多计算机行业的技术，如Hadoop等，都是由高性能计算领域首先研发出来的。国际上如IBM量子计算团队已将量子计算机作为其下一代高性能计算的核心，而“欧洲高性能计算联合项目（EUroHPC JU）”已展开将量子计算机与超级计算机进行集成的实验研究；芯片公司英伟达也在前不久推出了可以融合量子计算和高性能计算资源调用的混合计算平台QUDA；亚马逊、微软等云计算服务商也已经看准了这个趋势，将量子计算机的能力搬上云，先后开放了量子计算云平台服务。CPU+GPU+QPU的高性能计算3.0时代已经开启。

相信随着量子计算机研发的不断进展，以及量子计算机与经典计算机的相互结合与协同发展，强大的“未来计算机”一定会在不久的将来问世，在《流浪地球2》中类似的人类历史时刻，承担起举足轻重的任务和责任。

近年来，沿着各条技术路线，量子计算机原型机的研发都取得了长足进展。尽管现阶段的量子计算机离真正实用化还有非常长的距离，但目前能达到的工程水平，已经大大超出了20年前科学家们最乐观的预测。回顾过去的2022年，量子计算原型机领域涌现了不少新的发展成果，可谓是百花齐放、百鸟争鸣。

离子阱路线的特点是比特的相干时间特别长，所以可以制备保真度很高的量子逻辑门（有点类似芯片上由晶体管组成的逻辑门），因而门保真度非常高。尽管离子阱量子计算机在比特数提升方面面临的困难较多（～20比特），但其独特的优势可通过前面讨论过的指标量子体积（QV）体现出来。2023年2月，领军企业Quantinuum宣布基于其H1系列量子芯片，量子体积可达到32768（2的15次方），创造新纪录。

既然量子计算原型机已经取得了如此多的进展，那么量子计算机现在是否有一些实际的可落地的应用了呢？事实上，目前离量子计算机真正产生商业化应用，仍然有很长一段距离。整体看，目前的量子计算原型机处于量子计算发展的初期阶段，仍然处于在量子计算领域叫做NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）的时代。要达成运行类似Shor算法这类标志性的量子算法和应用，仍需大量科研工作者努力攻坚，实现量子纠错，以及实现百万量级的量子比特相干操纵。这个过程，普遍预测至少还需要10-15年时间的科研创新和工程技术积累。

量子计算能够有效地模拟量子演化，在材料科学中具有重要的应用。例如材料化学模拟中，一旦自旋数大于大约 100，某些磁性模型就完全无法在经典计算机上进行模拟。但是，据估计，使用具有 50 万量子比特的量子计算机可以在大约一个小时内模拟此类系统。对于更复杂的系统，所需的量子比特资源可能更多。但较传统计算方法，量子计算机的引入大大扩展了可探索的科学问题边界，未来有望应用于新颖特性材料的开发工作中。

（编辑：汽车网）

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