一文带你看懂晦涩难懂的量子计算
admin
2023-08-20 09:00:55
0次
说起量子论，大家都觉得是一个很玄乎的黑科技，是上帝掷的一个骰子，普通大众理解不了，也不想理解，主要是由于那些物理名词太晦涩。今天我们不讲哪些玄乎的理论知识，只讲量子论的一个应用场景---量子计算。
量子信息科学是信息学和量子力学的交差学科，根据发展方向和目标不同，分出两个分支，一个是量子通信，另外一个是量子计算。量子通信，我们国家可以说是走在世界前列，比如墨子号的升空。量子计算，我们国家稍微有点落后于美帝，但也处于世界前列。
两个多月前，谷歌公司一篇声称首次实现“量子霸权”的论文被泄露到网上，引发诸多议论乃至质疑，然后又被撤下，被人调侃为“量子乌龙”。10月23日，英国《自然》杂志正式发表这篇论文，才得以让大家一睹真容。量子霸权背后的终极目标是量子计算机，那么量子计算机与经典计算机有什么区别呢？
要弄懂量子计算机，首先得弄懂什么是量子计算。要弄懂量子计算，首先得明白什么是计算？
百度百科的解释为：
不论是哪种释义，背后都包含三层含义：输入，运算和输出，这也是计算的本质。就是根据需求进行必要的输入，通过操控一个物理系统按照物理规律进行演化，然后输出演算的结果。根据这个基础，计算的第一个含义很容易理解，就是进行数字计算，输入是数字，物理系统可能是手指、算盘、计算机等，输出也是数字。第二个含义输入是一件事情，物理系统就是人或者智能化设备，输出是解决方案。
如果我们在计算前面添加一定的限定语，如经典、量子等，那么又会有什么结论呢？
量子计算是一种遵循量子力学规律，调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。首先它是一种新型的计算方法，输入和输出没有变化，只是物理系统变化，是基于量子力学规律来操控量子信息单元。
与之相对的是经典计算（电子计算机代表的一类计算），那么量子计算与经典计算的区别在哪里呢？经典计算是利用电磁规律，通过操控电子来进行相关的计算。那么量子计算是利用量子力学规律，通过操控量子来进行相关的计算，这里的量子不是某一种具体的粒子，而是代表着我们利用量子力学规律去操控的物理系统。那么它们操控的究竟是什么呢？操控的都是比特，一个称为量子比特（qubit），一个称为经典比特（bit），这里的比特都是抽象的概念，可以用不同的物理方式来实现。
经典比特中一个比特位的取值只能是0和1两种取值，要么是0，要么是1，是一个确定态。量子比特中一个比特位的取值，它可能为 |0>和 |1>的一种，但也可能不是，而是两种可能状态的叠加态（Superposition），也就是线性组合|ψ>=α|0>+β|1>，其中 |>是狄拉克记号（Dirac notation）。对于一个量子比特，其中α^2+β^2=1，测量结果为 |0>态的概率为α^2， |1>的概率为β^2。举一个例子，可以是20%的0和80%的1，也可以是70%的0和30%的1。
根据摩尔定律，集成电路上晶体管数目每隔约 18-24 个月增加一倍，性能也相应增加一倍。但是随着芯片元件集成度的不断提高，芯片内部单位体积内散热也相应增加，再由于现有材料散热速度优先，就会因“热耗效应”产生计算上限；另一方面，元器件尺寸的不断缩小，在纳米甚至更小尺度下经典计算世界的物理规律将不再适用，产生“尺寸效应”。受到来自这两个方面的阻碍，再加之信息化社会的计算数据每日都在海量剧增，经典计算机越来越显得力不从心，因此不得不寻找新的解决方案。
其中量子计算机就是一个探寻的方向，那么量子计算机为什么能解决经典计算机的困境呢？
经典计算机为了提高性能，不停的在单位面积内堆叠晶体管或者电子管，由于热耗效应和尺寸效应的限制，有一定的上限。量子计算机的解决方案，不是为了解决热耗效应和尺寸效应，而是通过其他手段来提升性能，可能量子计算机的芯片面积比经典计算机的芯片面积还要大。
1.量子存储突破的关键技术：量子叠加
通过上文的描述，我们知道一个经典比特位只能表示一个数：要么是0，要么是1，但一个量子比特位可以同时存储0和1。那么两位经典比特位可以存储00,01,10,11四个数中的一个，2位量子比特位可以同时存储以上四个数。
按照此规律，推广到n位比特位，理论上，n个量子比特位可以存储2^n个数，n个经典比特位只能存储1个数。由此可见，量子存储器的存储能力是呈指数增长的。如果这个n很大，假设等于300，可以数清整个宇宙所有的原子了。为什么会有如此大的差异，说的简单一点，就是量子叠加带来编码方式的变革。
从这个角度看，量子比特对经典比特简直就是降维打击。
2.量子运算速度的关键技术：量子演化并行性和量子纠缠
经典计算机通过相关器件的堆叠和主频的提升带来运算速度的提升，从最初的单核上升到多核，从486提升到现在的2.XXGHz，甚至到3.8GHz等。比如现在的AI处理器，GPU单元就包含有4096个核心，这种通过提升资源方式来提高运算速度是不可持续的。
1.）量子计算可以让叠加状态同时演化，也就是量子演化并行性，大大减小物理资源。量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2^N操作，或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。由此可见，量子计算机可以节省大量的运算资源。
2.）量子纠缠可以让量子比特中的数据保持同步。写过多线程程序的人都清楚数据同步是一个很麻烦的事情，需要写大量的代码来维护数据的同步和互斥。但这些在量子计算中依赖于量子纠缠是天然存在的，不需要消耗额外的资源。
1.量子算法方面迟迟无法突破，能用于量子计算的算法还十分稀少。能带来指数级变革的算法目前也就那么几个，如肖尔算法。如果不能充分发挥量子计算机的物理威力，那么量子计算机的功效就会大打折扣。
2.底层平台的构建及生态的构建，从开发平台到开发工具、书籍、文档、从业人员等。由于目前量子计算机还远未到达通用计算机的地步，也仅仅有专用的商用量子计算机面试，如IBM、D-Wave公司的商用量子计算机，也仅是少部分人的高端玩物。
那么通用量子计算机面试后，是不是经典计算机就被淘汰了呢？在笔者看来不是。就好比核武器出来后，菜刀、水果刀依然在大范围的使用。
未来将是经典计算机和量子计算机搭配使用，经典计算机解决常规问题，量子计算机解决大数据、大运算量的一类问题，如药物检测等。
参考资料：
量子信息科学是信息学和量子力学的交差学科，根据发展方向和目标不同，分出两个分支，一个是量子通信，另外一个是量子计算。量子通信，我们国家可以说是走在世界前列，比如墨子号的升空。量子计算，我们国家稍微有点落后于美帝，但也处于世界前列。
计算的本质
两个多月前，谷歌公司一篇声称首次实现“量子霸权”的论文被泄露到网上，引发诸多议论乃至质疑，然后又被撤下，被人调侃为“量子乌龙”。10月23日，英国《自然》杂志正式发表这篇论文，才得以让大家一睹真容。量子霸权背后的终极目标是量子计算机，那么量子计算机与经典计算机有什么区别呢？
IBM的量子计算机
要弄懂量子计算机，首先得弄懂什么是量子计算。要弄懂量子计算，首先得明白什么是计算？
百度百科的解释为：
计算，汉语词语，有“核算数目，根据已知量算出未知量；运算”和“考虑；谋虑”两种含义。
不论是哪种释义，背后都包含三层含义：输入，运算和输出，这也是计算的本质。就是根据需求进行必要的输入，通过操控一个物理系统按照物理规律进行演化，然后输出演算的结果。根据这个基础，计算的第一个含义很容易理解，就是进行数字计算，输入是数字，物理系统可能是手指、算盘、计算机等，输出也是数字。第二个含义输入是一件事情，物理系统就是人或者智能化设备，输出是解决方案。
如果我们在计算前面添加一定的限定语，如经典、量子等，那么又会有什么结论呢？
什么是量子计算
量子计算是一种遵循量子力学规律，调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。首先它是一种新型的计算方法，输入和输出没有变化，只是物理系统变化，是基于量子力学规律来操控量子信息单元。
与之相对的是经典计算（电子计算机代表的一类计算），那么量子计算与经典计算的区别在哪里呢？经典计算是利用电磁规律，通过操控电子来进行相关的计算。那么量子计算是利用量子力学规律，通过操控量子来进行相关的计算，这里的量子不是某一种具体的粒子，而是代表着我们利用量子力学规律去操控的物理系统。那么它们操控的究竟是什么呢？操控的都是比特，一个称为量子比特（qubit），一个称为经典比特（bit），这里的比特都是抽象的概念，可以用不同的物理方式来实现。
经典比特中一个比特位的取值只能是0和1两种取值，要么是0，要么是1，是一个确定态。量子比特中一个比特位的取值，它可能为 |0>和 |1>的一种，但也可能不是，而是两种可能状态的叠加态（Superposition），也就是线性组合|ψ>=α|0>+β|1>，其中 |>是狄拉克记号（Dirac notation）。对于一个量子比特，其中α^2+β^2=1，测量结果为 |0>态的概率为α^2， |1>的概率为β^2。举一个例子，可以是20%的0和80%的1，也可以是70%的0和30%的1。
目前经典计算机的瓶颈
根据摩尔定律，集成电路上晶体管数目每隔约 18-24 个月增加一倍，性能也相应增加一倍。但是随着芯片元件集成度的不断提高，芯片内部单位体积内散热也相应增加，再由于现有材料散热速度优先，就会因“热耗效应”产生计算上限；另一方面，元器件尺寸的不断缩小，在纳米甚至更小尺度下经典计算世界的物理规律将不再适用，产生“尺寸效应”。受到来自这两个方面的阻碍，再加之信息化社会的计算数据每日都在海量剧增，经典计算机越来越显得力不从心，因此不得不寻找新的解决方案。
其中量子计算机就是一个探寻的方向，那么量子计算机为什么能解决经典计算机的困境呢？
量子计算机的解决方案：存储更大、运算更快
经典计算机为了提高性能，不停的在单位面积内堆叠晶体管或者电子管，由于热耗效应和尺寸效应的限制，有一定的上限。量子计算机的解决方案，不是为了解决热耗效应和尺寸效应，而是通过其他手段来提升性能，可能量子计算机的芯片面积比经典计算机的芯片面积还要大。
1.量子存储突破的关键技术：量子叠加
通过上文的描述，我们知道一个经典比特位只能表示一个数：要么是0，要么是1，但一个量子比特位可以同时存储0和1。那么两位经典比特位可以存储00,01,10,11四个数中的一个，2位量子比特位可以同时存储以上四个数。
按照此规律，推广到n位比特位，理论上，n个量子比特位可以存储2^n个数，n个经典比特位只能存储1个数。由此可见，量子存储器的存储能力是呈指数增长的。如果这个n很大，假设等于300，可以数清整个宇宙所有的原子了。为什么会有如此大的差异，说的简单一点，就是量子叠加带来编码方式的变革。
从这个角度看，量子比特对经典比特简直就是降维打击。
2.量子运算速度的关键技术：量子演化并行性和量子纠缠
经典计算机通过相关器件的堆叠和主频的提升带来运算速度的提升，从最初的单核上升到多核，从486提升到现在的2.XXGHz，甚至到3.8GHz等。比如现在的AI处理器，GPU单元就包含有4096个核心，这种通过提升资源方式来提高运算速度是不可持续的。
1.）量子计算可以让叠加状态同时演化，也就是量子演化并行性，大大减小物理资源。量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2^N操作，或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。由此可见，量子计算机可以节省大量的运算资源。
2.）量子纠缠可以让量子比特中的数据保持同步。写过多线程程序的人都清楚数据同步是一个很麻烦的事情，需要写大量的代码来维护数据的同步和互斥。但这些在量子计算中依赖于量子纠缠是天然存在的，不需要消耗额外的资源。
阻碍量子计算机发展的困境
1.量子算法方面迟迟无法突破，能用于量子计算的算法还十分稀少。能带来指数级变革的算法目前也就那么几个，如肖尔算法。如果不能充分发挥量子计算机的物理威力，那么量子计算机的功效就会大打折扣。
2.底层平台的构建及生态的构建，从开发平台到开发工具、书籍、文档、从业人员等。由于目前量子计算机还远未到达通用计算机的地步，也仅仅有专用的商用量子计算机面试，如IBM、D-Wave公司的商用量子计算机，也仅是少部分人的高端玩物。
总结
那么通用量子计算机面试后，是不是经典计算机就被淘汰了呢？在笔者看来不是。就好比核武器出来后，菜刀、水果刀依然在大范围的使用。
未来将是经典计算机和量子计算机搭配使用，经典计算机解决常规问题，量子计算机解决大数据、大运算量的一类问题，如药物检测等。
参考资料：
- 《量子计算机与编程入门》，郭国平等著，科学出版社
- 《量子计算》，李铁夫