量子计算原型机“九章”到底有多厉害

　　上周，中国科学技术大学宣布，该校中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子100个模式的量子计算原型机“九章”。

 

　　这一成果，使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性。

 

　　那么量子计算机到底是什么？最简单的解释来说，量子计算机是一种使用量子力学的计算机，它能比普通计算机更高效地执行某些特定的计算。

 

　　别误会，跟这个完全是两码事……

 

　　而在处理“高斯玻色采样”问题时，“九章”的速度是目前最快的超级计算机的100万亿倍。

 

　　也就是说九章量子计算机只要花200秒就能处理好的事情，目前世界上最快的超级计算机要计算6亿年。

 

　　200秒只是短短一瞬，但6亿年早已是沧海桑田。

 

　　今天想跟大家分享来自张浩的演讲，在他看来，量子计算机不止是算的快，更是可以改变世界。

 

　　张浩，清华大学物理系副教授

 

　　大家好，我叫张浩，我研究的学科方向其实是属于物理学里边的凝聚态物理学，什么是凝聚态呢？凝聚态就是大家知道固体，液体，是吧？所有这些分子它们凝聚到一块儿的东西。然后我做的是凝聚态里面的实验，然后具体在这个凝聚态里面更小的一个方向，如果说专业点就叫做介观物理，就是介于宏观和微观之间的这样的一个物理，因为我是做实验的，我们是做比如说微纳米级的器件加工和数据测量，所以我们的一个主要的应用，或者说我们的技术，所用到的技术其实和现在的比如说芯片，做芯片的技术，其实高度重合的。

 

　　因为我们研究量子科学，所以我们想做的是下一代的量子芯片，就是所谓的量子计算机。大家可能听太多量子计算这个词了，量子计算到底比电脑计算机强在什么地方？其实很简单，它就是算的快，有多快，快到就是，给你举个例子，比如说因数分解，大家可能小学，中学生都学过因数分解，是吧？比如说我告诉你一个数，问你它等于哪两个数的乘积，你要告诉我，比如说15=3×5，是吧？这很容易算，但是我如果告诉你更大的数呢？你怎么去算，这个其实我们电脑计算机没有特别行之有效的方法，我们的方法是什么，就是猜，就是不停的试，我们从最小的数开始，2、3、5、7，是吧？然后试，看能不能被这个数整除，不行的话再试下一个，试下一个。这样其实算的速度非常非常慢，举个例子比如说，一个有1024比特长度的一个整数我扔给你，然后问你说，它等于哪两个数的乘积。最快的经典计算机去算这个问题，它大概要花11年的时间才能解决。

 

　　量子计算机如果能做出来的话，用量子的算法去算这个问题，100秒，就说我们算有多快，从11年的尺度，缩到100秒的尺度。那11年的尺度基本上就是不能算的，就是这个我们就是称为不可算的问题，基本上现在量子计算机就可以算了，所以大概这么样的一个突破。

 

　　你可以说，我不关心因数分解，我为什么要关心因数分解，它有什么用？但是其实因数分解用处非常非常大，举个例子，就说我们大家都说的保密，是吧？银行或者军队的保密系统，它就是依赖于因数分解。比如说我想告诉你一个数，是吧？但是我不想让其他人知道，怕其他人有可能截获这个数，那我怎么办呢？比如说我想告诉你A，是吧？

 

　　但是我们可以提前商议好一个数，比如说B，是吧？然后我想告诉你A的时候，我不告诉你A，我告诉你A乘以B它的乘积，我甚至可以把这个乘积向全世界宣布，所有人都知道这个乘积是多少，但是因为它太大了，你要想用经典计算机算的话，你不可能算，但是因为我们提前商量好这个数B，只有我和你知道，然后我告诉你它的乘积以后，你立刻用这个乘积去乘以我们提前商量好的这个B，就可以得到A，所以这样的话，它的保密性能就会非常好。

 

　　这个量子计算机给我们保密系统带来一个巨大的改变，以前11年不可算的问题，我们现在100秒就能算出来，这个是之前就是说的，那个如果量子计算机做出来的话，我们的经典计算机的保密系统全都要更换，就是它很容易破解那个经典计算机的那个密码。

　　我们应该有一个共识，就是说如果真正的量子计算机做出来的的话，它的意义确实不亚于，比如说人类第一个飞机，或者登上月球，因为就像我刚才给你说的，我们从11年的时间变到100秒的时间，这种尺度是无法想象，就是我只是举一个简单的例子就说，比如能够跟我们那个密码系统，银行系统带来变化。是吧？但是它其实还有其他的应用，比如说能够帮助人类研发新药，像我们量子计算机，我们可能认为我们现在计算能力已经非常非常快了，但是呢，其实我想告诉大家，在各行各业，我们现在计算机远远无法满足我们的需求，比如说我们做物理研究，很多问题我们都需要用近似去做，我们也不知道我们做的这些近似的假设是不是对的，为什么呢？

 

　　因为我们无法精确的去，不精确计算的话，需要的计算量太大了，所以这时候如果量子计算机能帮忙的话，比如说如果能帮我们预言一两种新的药物，能够有效的治疗癌症，我觉得光这一项应用就足以彻底变化我们整个，变更我们整个人类的社会。所以就是从另一个角度，为什么量子计算机做的快，是因为薛定谔的猫，就说它可以同时去做两件事情，像我们经典计算机是怎么做一个计算，我们把一个任务拆分成很多小任务，然后我先算一个任务，算完以后算第二个。

 

　　所以它必须得是，就是一个一个的去算。量子计算机你可以产生一个叠加态，把这个同时计算过去，所以这是一个形象理解，就是说为什么量子计算机做的快，就是因为薛定谔猫的叠加态，还有量子纠缠这些概念。

 

　　量子AI，就是一个交叉的学科，关于人工智能其实那个，当然我也了解，当然仅限于科普层面，或者可能读过几篇文章而已，所以那个并不是我的舒适区，就是我对AI了解不是很多，但是大概我能想象出来，就是量子计算它算的快，因为AI对算力也是有非常大的需求，也许能够帮助AI形成一个，就是1+1>2的一个效应，比如说阿尔法狗，以前做不了，是因为它们算的速度没有跟上，现在跟上以后就基本上刚才那个前一个报告也说了，就是说当你的计算速度超过多少就会有什么样的变革。所以如果量子计算一下子能够带来从11年到100秒的突破的话，我相信也会给AI带来翻天覆地的变化。