作者：佰思科学 ｜沈东旭 邱亚明
2020年12月4日，中国科技大学宣布，九章量子计算机问世。九章的意义有多大？对我们的生活能带来什么样的影响？让我们一起来检视这些问题。
九章
通过量子实现通用技术的想法，由美国科学家理查德·费曼等人在上世纪八十年代初提出来的。在某些领域，量子计算机有着比传统计算机巨大的优势。比如著名的质因数分解问题，就是如何把整数分解成质因数的乘积，Peter Shor最早证明了，使用量子计算，能比传统计算机快很多。原因是什么呢？
理查德·费曼
量子计算机利用了量子的特性，比如叠加与纠缠，这些都是传统计算机所做不到的。传统计算机里，存储器就两个状态，0或者1；而量子计算机，由于量子叠加原理，存储器可以同时拥有0和1两种状态。当有N个存储器的时候，可以存储2^N（2的n次方）个状态。因此量子计算机能同时对2^N（2的n次方）个数进行运算，而传统计算机必须进行2^N个（2的n次方）操作，或者有2^N（2的n次方）个处理器进行并行处理才行。这样量子计算机在处理某些并行算法方面比传统计算机有着巨大的优势。
传统比特与量子比特的对比
从本质上来说，量子计算机和传统的电子计算机都是图灵机的具体实现方式。所谓的图灵机模型，由图灵于1935年提出。简单来说就是一个执行机构，能根据输入和自己当前的状态决定下一个状态及输出。人类目前的计算设备都属于图灵机。因此，量子计算机能解决的问题，传统计算机都能解决；反之亦然。实际上，现在还不知道哪些问题属于量子计算机能解决而传统计算机无法解决的。
图灵机
另一方面，不是所有的传统算法都能通过量子计算机实现加速。举个最简单的例子，1 1=2，从算法角度来说就没法加速。就算对能加速的算法，在量子计算机上也有其加速上限，具体速度提升与算法相关。
费曼对量子计算的构想
这次九章的核心意义，在于真正确立了量子霸权，也叫量子优越性（quantum supremacy）。所谓的量子霸权，是美国加州理工教授John Preskill在2012年造出来的一个词，意思是量子计算机首先要在某些特定算法上无可置疑地超过传统计算机。可以说，实现量子霸权是量子计算领域的一个里程碑，只有证明了量子计算的确有超过传统计算机的实力，哪怕只是在某些特定算法方面，量子计算才有它的发展意义。
九章内部
实际上，之前有些人并不认可量子计算机真的比传统计算机有优势。还以质因数分解问题为例。截止2020年，使用传统计算机，任意整数的质因数分解做到了829比特。质因数分解是破解加密算法中著名的RSA算法的基础。RSA算法可以算得上是当今加密体系的根基，主要用于分发密钥，其意义十分重大。破解到829比特的整数，大致相当于破解了RSA-250，即250位十进制数。现在RSA加密，最起码需要1024比特长度的密钥才有最基本的安全性，要求高一点的场合得用2048比特。如果有需要的话，RSA算法甚至可以提升到4096比特。传统计算机在可以预期的未来都不能使RSA算法失效。
比如之前说过的Shor算法，2001年IBM在量子计算机上用Shor算法分解了15=3x5。现在Shor算法的世界纪录是2019年IBM使用Q System One分解了35。Q System One是世界上第一个基于电路的量子计算机。堂堂IBM实现的量子计算机，在质因数分解方面，只不过相当于小学二年级上学期学完乘法表的小朋友的水平，你说可气不可气。
IBM于2019年研发的Q System One
使用其他方式，比如NMR（nuclear magnetic resonance）和量子退火技术（quantum annealing），目前量子计算机能分解的最大整数是1,099,551,473,989，只不过13位而已。在据认为比传统计算机有优势的质因数分解领域，量子计算机比传统计算机达到的水平都差得很远，难怪有人对量子计算机并不服气。
D-Wave公司的量子芯片
量子计算之所以如此不给力，主要是量子比特的状态容易出错，造成量子比特的数量不够，从而表现不出量子计算的优越性。一般认为，量子比特需要达到50到100之间才能超越传统计算机，建立量子霸权。
IBM的量子计算机
2017年，IBM宣布用超级电脑实现了对56个量子比特的模拟。换句话说，要想实现量子霸权，门槛被提升到了56个量子比特以上。2019年，谷歌宣布实现了量子霸权，在54个量子比特中53个可用。不过IBM表示不服，说用传统计算机也能达到同等级的性能。总之，谷歌宣称的量子霸权是有争议的，没有得到业界的广泛认可。
谷歌的量子计算机
这次九章的成就，在于实现了远超当前超算能够模拟的水平，可以说毫无争议地实现了量子霸权。九章的76个光子，等效于76个量子比特，远超IBM的超算模拟56个量子比特门槛，所以IBM也没话可说了。假如退回到二十年前，很多人认为量子计算机根本做不出来。到了今天，大家所争论的已经是量子计算机到底能不能超过传统计算机。现在实现量子霸权这个世界第一被中国人摘取了，其意义自然是非凡的。
九章量子计算机
当然，我们要清醒地认识到，当前的量子计算机只是在某些特定领域比传统计算机有优势。比如九章，在求解5000万次高斯玻色采样问题时，需时200秒。传统计算机处理玻色采样问题是比较困难的，因为模拟要考虑的因素和参数太多。当前最强的超级计算机，日本的富岳，解同样的问题需要6亿年。但假如你说九章比富岳快1百万亿倍，那是不对的。只是在某个具体算法上快这么多，其他多数算法会比富岳慢得多。
富岳超级电脑
为什么在某些特定算法能快上这么多倍呢？量子计算机在构建的时候，是基于某种物理系统的。在求解特定问题时，比如玻色采样，可以类比成做物理实验，则求解的时间相当于做实验的时间。玻色采样本来就是对光子（光子属于玻色子）做的，而九章又基于光来实现量子计算，因此所谓的求解玻色采样问题跟做物理实验没啥本质区别。这相当于硬件模拟的蒙特卡洛实验，速度快是自然的。
九章的光路系统原理图
举个浅显的例子。用超级计算机，哪怕模拟最简单的化学实验，通过计算求出化学反应结果，都是很困难的。但你用两个试管，把两种试剂一混合，过了一会就出结果了。然后你宣称，你研发的化学试管计算机比超算牛多少倍。但显然不能这么说，超算能做的很多事你这两个化学试管根本做不了，这样类比本身就有问题。
玻色取样
就算传统计算机，由于系统配置的原因，在执行某些算法时效率很高，其他算法时效率不高，这都是很正常的事情。比如CPU和GPU在计算能力上的差异，不能简单地说孰优孰劣，只能说它们各有千秋，各有各的适用范围。
ENIAC
2017年，潘建伟团队构建的光计算机执行通用算法时，能超过ENIAC的水平。制造于1946年的ENIAC是世界上第一台实用的电子计算机，到了今天任何一款芯片的算力都远超ENIAC。现在的量子计算机还在和ENIAC做对比，你可以想象今日的量子计算机还多么的原始。假如以从猿到人的过程来形容量子计算的发展状态的话，当下的量子计算机不过刚刚学会了直立行走。要想在人类社会中发挥重要的作用，量子计算机需要拥有至少上百个甚至数百个量子比特才行。
总之，量子计算走向实用，还有很长、很长的路要走。但是无论如何，九章的问世，代表了中国在量子计算领域，真正走在了世界的最前头，可喜可贺！
