量子力學篇 【量子力學篇-15期】量子計算機為何如此生猛？

最近出現了很多關於量子計算的新聞 一個個聽起來都相當的炸臉 比如就在23年10月 中科大潘建偉團隊 成功研製出了 擁有255個光子的量子計算機 九張三號 據說 它在求解高斯波瑟取樣時的速度 比現在全球最快的超級計算機 還要快一億一倍 這是什麼概念? 還有就在上個月 哈佛大學又搞出了一個重磅消息 他們在基於280個物理量子比特的系統中 製備出了48個邏輯比特 據說 這是邁向通用量子計算機的關鍵一步 聽起來量子計算機確實非常牛批 但它到底牛在哪? 量子計算為何如此之快? 所謂的量子比特又是啥? 量子計算機真的即將改變世界嗎? 前面我們已經講了14期的量子理論 今天我們來講點真正實用的技術 如果你希望下次再看到類似新聞時 一眼就能get到其中的厲害之處 或者過年和朋友吃飯時能淺淺吹一波牛 那麼現在就請隨我一起 來揭開量子計算的神祕面紗 簡單來說 量子計算就是利用量子力學原理進行的計算 而量子計算機就是實現量子計算的硬件系統 現代人已經幾乎離不開計算機 從文字聊天到視頻通話 從點外賣到打遊戲 你的每一個操作 都會自頂向下一步步打包為 一串只包含二進制數字零合一的數據包 然後通過硬件發射模塊 以電磁波的形式發射到空氣中 傳遞給路由器或者運營商基站 通過網絡尋指 一步步找到對方設備 對方收到數據包後 在自底向上逐步拆解出你的信息 在整個過程裡面 最關鍵的就是這些信息 表示信息的最小單位叫比特 一個比特能表示一個二進制數字零或一 無論是早期計算機的電子管開關狀態 還是現代計算機的晶體管電壓高低 只要能區分出兩個狀態 都可以用來表示零和一 通過將零和一的各種開關操作 連接在一起 做成邏輯門 再把各種邏輯門連接成CPU 這樣一層一層搭建起來 就組成了計算機 而量子計算的最小信息單位 叫做量子比特 傳統比特要麼是個零 要麼是個一 而量子比特可以是零 可以是一 也可以同時既當零又當一 它處於零和一的量子疊加態 經常看我視頻的同學 大概對這個疊加態已經很熟悉了 所謂量子疊加態 就是一個粒子在被觀測前 它的狀態不僅僅是你不知道這麼簡單 而是本身就是模糊不清的 它的各種可能性 以波的形式疊加起來 只有在你觀測的一瞬間 才會立即攤縮為確定的狀態 愛因斯坦一輩子都無法相信這件事 但後來 人們通過對貝爾不等式的驗證 實錘了這個事實 比如 一個量子比特的鈦含數 可以這樣表示 這表示 它在被觀測時 有30%的可能性攤縮為零 70%的可能性為一 這個概率是可調的 這意味著 一個量子比特 能同時攜帶兩個數字信息 而關鍵就在於這個同時 這就是量子計算的最根本優勢 假如我們有三個傳統比特 它們的狀態可以有八種 分別表示0-7這八個數字 但它在同一時間 只能表示其中的一個 而三個量子比特 卻可以同時攜帶所有這八個數字 以此類推 n個量子比特 就可以代表2的n次方個數字 有人計算 只要有300個量子比特 你就能同時表示 比可觀測宇宙中所有原子還多的數 這極大的增強了 量子計算機的數據存儲能力 但如果只是提升了數據存儲能力 而沒有配套的提升數據處理能力 那總的算力也就還是沒有提高 這就相當於在城市裡 建造了許多巨型停車場 但如果道路都非常狹窄 那交通依然會很擁擠 這就引出了量子計算的獨特計算方式 並行演化 傳統計算是一個一個算 量子計算是同時一起算 假如現在你手上有兩個數字4和6 你想對每個數字都做一次加一運算 傳統計算機的做法是 先用三個比特存儲4 也就是100 然後算一次 算完後再用三個比特表示6 也就是110 然後再算一次 這是典型的串行計算 但如果你這三個比特是量子比特 因為它能同時表示0至7這8個數 你就可以讓代表4的100 和代表6的110疊加起來 讓它們的概率都是50% 剩下的6個數字的概率全部都是0 然後你只需要對這三個量子比特 執行一次加一運算即可 這裡需要知道的是 所有的實際運算操作 都是通過改變硬件的物理狀態來實現的 比如改變電流或者電壓 硬件狀態的改變 可以讓量子比特的疊加態發生演化 比如只要把電流設置到0.1A 系統就能讓001和010各佔50%的疊加態 演變成011佔100% 這就相當於完成了一次加法運算 而當把電流設置到0.2A時 就能將4和6各佔50%的疊加態 演化成5和7各佔50% 這就相當於對它們做了一次加一運算 以此類推 我們只需要將這些硬件條件和演化結果 編成一個對照表 加減乘除各自對應著什麼物理操作 就一目瞭然了 當然 實際計算的硬件操作要複雜得多 我這麼講只是幫助你理解 量子計算到底是怎麼算的 除此之外 量子力學中的另外一個效應 也能提高量子計算的運算速度 那就是量子糾纏 一般情況下 兩個量子比特都是相互獨立的 但對於某些需要維持數據同步的場景 比如當你換了手機號之後 你其他系統上的資料也都需要改過來纔行 此時 傳統計算機為了實現數據同步 也需要消耗不少資源 而量子計算機 只需將這些量子比特置備成糾纏態 這樣 不管量子比特們分散在存儲器的哪個位置 只要某一個數更新了 其他數自動就會同步更新 但這裡還有一個問題 既然量子比特存儲的是量子疊加態 而疊加態一旦被觀測就會攤縮 那我們如何獲取 同樣是疊加態的計算結果呢 如果帶讀取的量子比特 只有唯一一個佔比百分之百的數字 其他狀態的概率都是零 那就很簡單 直接讀就完事了 因為它必定會攤縮成 那個唯一的狀態 但如果是多個數字的疊加態 比如前面提到的那個例子 計算結果是 5和7各佔50%的疊加態 而真實計算中 量子比特的數目會更大 結果只會更複雜 可能有成千上萬個數字的概率分佈 此時你直接讀肯定是不行的 你讀到的結果 只會是一個確定的數字 那如何才能獲得這些數字 以及對應的概率值呢 答案其實很簡單 用統計學的方式 簡單說就是 多重複計算幾次 每算完一次就讀一次 然後把每次讀到的結果統計一下 就像用電子做雙縫干涉實驗一樣 重複的次數越多 得到的概率分佈結果也就越精確 這種讀取方法看起來很笨 所以我纔有的同學忍不住會問 既然量子計算機讀取一個計算結果 都要搞得這麼麻煩 它真的能提高計算速度嗎 這是一個好問題 這個問題引出了量子計算機 實際應用的侷限性 對於前面那種簡單運算 量子計算機確實還不如經典計算機 但聰明的小朋友或許已經發現 雖然讀結果時需要重複計算 但這個重複次數 其實是和問題的複雜度沒有直接關係的 這個重複次數 只取決於我們對結果的精度要求 所以只有當問題的規模足夠大時 量子計算機才能體現出它的價值 比如大數的質因數分解問題 1994年 麻省理工學院的數學家彼得·秀爾 發明瞭一個用量子計算機 分解質因數的算法 叫秀爾算法 它比傳統計算機最快的算法要快得多 傳統算法是通過一些辦法 讓可能的質因數一層層地篩選出來 而秀爾算法 則是同時嘗試所有可能的質因數 在嘗試過程中 錯誤的答案在這個量子力學體系中 會發生相消干涉 自動留下正確的答案 1996年 計算機科學家洛夫·格羅弗 又提出了格羅弗算法 該算法能以很高的概率 從一大堆可能的輸入值中 快速找到能得到特定輸出值的那一節 傳統計算機只能把那些輸入值 一個一個地試 而量子計算機卻可以全部同時一起試 隨著這些算法的出現 人們也逐漸意識到 理論上來說 量子計算機可以用比傳統計算機快得多的方式 破解現行的加密系統 比如現在最流行的RSA公共密鑰體系 但這還只是理論上 現在的量子計算機 還有一個更大的問題需要解決 這也導致一些人對量子計算的未來持悲觀態度 那就是糾錯 只要是計算機 就有糾錯的問題 在數據的傳輸過程中 總會因為一些外部因素導致某些比特發生損傷 比如0變成1 或者1變成0 而量子計算機由於還有個退箱桿的問題 出錯率就變得非常高 所謂退箱桿 簡單說就是因為外界的幹擾 導致量子疊加態逐漸蛻變為確定狀態的過程 傳統計算機的糾錯方法是 製造冗餘 比如一段信息原本只需要兩個比特 那我就用六個 左右兩邊各複製一份 然後讀取信息的時候 少數服從多數 但量子計算機不能這麼做 因為量子力學裡 有個量子不可克隆定理 你要複製一個量子態 就會破壞掉這個量子態 但科學家們還是想到了一種辦法 對每一個真正做計算的邏輯量子比特 都用若干個輔助量子比特 去跟它重重糾纏 然後你就可以通過觀測一個輔助量子比特 來判斷那個邏輯量子比特是否出錯 這個方法看起來好像沒毛病 但實際操作起來問題就大了 比如要想在實際應用中 使用秀爾算法破解RSA加密體系 大約需要1000個邏輯量子比特 但為了保證出錯率足夠低 按照目前的糾錯方式 每一個邏輯量子比特 大概需要配備1000個輔助量子比特纔行 也就是說 你的這臺量子計算機 需要有100萬個物理量子比特 100萬對傳統計算機來說很簡單 但是對量子計算機來說 可就太難了 所以說 如果量子計算的糾錯方法 沒有進一步突破 那真正實用的量子計算機 將會遙遙無期 按現在的國際主流觀點 量子計算機的發展 可以分為以下三個階段 階段一 50到100個量子比特 先實現量子優越性驗證 所謂量子優越性 其實就是在某些特定的問題上 量子計算能超越傳統計算 階段二 數百個量子比特 能解決一些傳統超級計算機無法勝任 但又具有重要實用價值的問題 比如量子化學 新材料設計 優化算法等 階段三 實現大規模的通用量子計算機 2016年 IBM公佈全球首個量子計算機在線平臺 搭載了5個量子比特 2019年 谷歌率先完成了第一階段 他們研製出了 具有53個量子比特的量子處理器 針對某個特定的問題 最先進的傳統計算機完成該問題 至少需要1000年 而這臺量子計算機只需要200秒 這個問題實際上對現實生活沒啥用 但是 它的確證明瞭量子計算機的優越性 2021年 中科大團隊研製出了113個光子的九兆二號 以及56個比特的組充值二號 使得我國在光學和超導兩種技術路線上 也都完成了量子計算優越性的驗證 2023年12月4日 在IBM2023年的量子峯會上 推出了具有上千個量子比特的處理器 Conder 並將量子發展路線圖 延長到了2033年 並表示 接下來將專注於提高機器的糾錯能力 而不是擴大機器的規模 2023年12月6日 哈佛大學基於中性原子陣列 成功在一個具有280個物理量子比特的系統中 製備出了48個邏輯比特 並發表在《自然》雜誌上 這一成果 預計將大幅加速通用量子計算機的發展 總的來說 對於某類特定的問題 如果傳統計算的算力是燒汽油級別 那量子計算就是妥妥的核能級別 量子計算的特點 既是它超凡的優點 但同時也給它帶來了難以克服的困難 量子計算機並不是下一代計算機 它使用的依然是 馮諾伊曼和圖靈建立起來的 那一套計算機框架 它與傳統計算機的關係並非是取代 而應該是互補與共存 相比於愛因斯坦和波爾那一代人 我們已經幸運地看到了 量子力學後來的各種進展 現在 希望我們還能再幸運一點 能看到量子計算機真正改變世界的那一天