能储存宇宙中所有的原子，未来量子计算机能带来怎样的变化？

杨大爷有见地，以理服人。 大家好，我是君武亚平面主编杨叔，和大家一起在B站见识世界。 前段时间，我国研制的“九章”量子计算机被高调曝光，其性能堪称全球最佳。 虽然“九章”实际上只是一个原型，目前只能解决少数具体问题，但它仍然是当今世界上最快的量子计算机，比排名第二的谷歌的“法国梧桐”快100亿倍，一时间，引起了人们的热议。 “九章”一出，很多朋友都不明白这东西有什么用？ 不就是一台电脑吗！ 但是懂行的人都知道这件事的重要性。 为了让大家对量子计算机有一个系统的认识，我会分几期详细讲一下这个话题。

首先，量子计算机和传统电子计算机有什么区别？ 我们从最基本的原理来看：手机、电脑、超级计算机的计算都是由芯片控制的。 一个指甲盖大小的芯片将包含数十亿甚至数十亿个晶体管，每个晶体管都是一个纳米级的“开关”电路。 高压通电表示1，低压断电表示0。这种介于导通和不导通之间的材料叫做半导体，所以现在的电子工业也叫半导体工业。 这些简单的“开关”可以组成10个逻辑门电路：与门、或门、非门、与或门、与非门、与非门等等。 这种称为机器语言的二进制命令只能做简单的计算，需要加入各个硬件的汇编语言、C++、JAVA、Python（爬虫）等高级语言才能进行更复杂的计算。 简单来说，就是通过层层复杂的控制，让计算机在二进制的基础上进行各种计算。

传统电脑底部的“小开关”最早是用电子管做成的，体积很大。 你就像世界上第一台电脑，里面安装了18000个电子管，占地170平方米，重达30吨。 后来又升级为硅材料制成的晶体管，而且越来越小。 目前主流芯片为10纳米和7纳米，最先进的CPU已经采用5纳米工艺。

为什么！ 说到这里，学计算机和软件的同学应该都非常熟悉了。 说到底，传统电脑最基本的电路其实和我们墙上的开关是一样的。 它拥有的开关越多，它的计算能力就越强。 在《三体》中，我们用最简单粗暴的人机为我们揭示了这个原理。 你好像有一个著名的“摩尔定律”：每18个月，集成电路上的元器件数量就会翻一番，计算能力也会翻一番。 所以，对于传统计算机来说：在同样大小的芯片上，你的光刻精度越高，你能容纳的晶体管就越多，芯片的运算速度也就越快。

但是：晶体管并不是可以无限缩小的。 因为无论你多小，你都不可能小于原子的直径。 已知硅原子的直径约为0.22纳米。 考虑到原子之间的距离，理论极限至少为 0.5 纳米。 在实际应用中，当低于5纳米时，晶体管就有些“关不掉”电子了，电子可以不受晶体管的束缚，四处乱跑。 简单来说就是：因为距离太近，这个小开关失灵了。 这种现象在量子力学中有一个专业术语叫做“量子隧穿”。 由此可见，在可预见的未来，传统电子计算机必然有其技术天花板，而摩尔定律实际上已经失效。 即使改用石墨烯等新材料，也会遇到同样的瓶颈。 要想突破这个限制，就得依靠技术思路完全不同的量子计算机。

这台量子计算机有多重要？ 举一个大家耳熟能详的例子，《三体》中有这样一个情节：三体人通过智子干扰科学家的碰撞试验，使人类无法进一步探索微观粒子内部的秘密，而开发量子计算机是不可能的。 200年后，即使人类用核聚变创造了太空舰队，他们仍然使用电子计算机。 面对三体人利用物质强相互作用原理制造的水珠，庞大的人类星际舰队瞬间被无情歼灭。 所以如果两个文明的基础科学有代沟的话，结果就是：灭了你，关你什么事！ 你就像科技大佬吴军在他的《全球科技通史》里说的那样：人类文明的进步靠的是两条线——能源和信息。 一方面是能源利用效率的提高，另一方面是信息处理效率的提高。 前者要想取得突破，目前公认的最大希望是核聚变反应堆，而后者的关键是量子计算机。 其实，如果从历史上看：人类社会进步的本质，就是出现了一种新的制度来组织和协调更多的人，把暴民变成一个组织力更高的群体。

为什么你能像我们的智人祖先一样，在个体不占优势的情况下打败比自己更强大、更聪明的尼安德特人？ 因为智人有更高效的信息传播手段：小部落由家庭组成，进化出信仰体系，让群体中更多的人相信虚构的东西，大家团结一致突破150邓巴总，因此成千上万的智人可以通过共同的信仰组织起来建造金字塔和长城等建筑。 由于传播信息的能力有限，尼安德特人最多只能组成 15 到 20 人的小团体。 当然，他们不是我们老祖宗的对手。 当然，我说的有点远，延伸到今天的话题是：无论是现在科技的进步，还是未来人类文明的发展，量子计算机都在一定程度上起着决定性的作用。

接下来，我将从最基本的原理来讲解量子计算机。 上面我说了：电子计算机的单个计算元件是晶体管，而量子计算机的计算元件是电子、原子、光子等具有能量和“行为”的微观粒子，统称为量子。 电子计算机通过电路的开关来表示0和1，而量子计算机是利用粒子的自旋方向和极化方向的“行为”来表示0和1。比如顺时针旋转表示1，逆时针旋转表示0而这个量子是1还是0处于随机状态，我们都知道：量子力学中有一个著名的“不确定定律”，薛定谔的猫，你无法判断它是死是活，它只能是说生死各占50%。 所以，我们上面说的量子就是一个0归1的问题，我们只能通过大量的实验，最后得出统计结果：0和1各占50%。 再补充一个很有意思的知识点：如果在量子计算机的运行中加入人工观察，无论是直接观察还是用仪器间接观察，量子都会失去0或1的随机态，变成1或1。0，量子计算的前提是不存在的。 这也是量子力学最“玄学”的地方：人们对过程的观察会直接导致实验的失败。 更有什者，毫无科学素养的“玄学家”趁机妄言，这证明了“人的心灵的力量”，见我的力量。

如果我们从科学史的角度来看：我们现在对量子力学的理解，相当于17世纪的人们通过观察总结出了开普勒三定律，但他们不知道为什么这些天体会这样. 直到牛顿推导出万有引力定律，用公式揭示了这一现象背后的本质。 所以现在量子不确定性的“定律”实际上是一个更宏大的物理体系的出现。 现在我们只能利用量子的这些性质来研究量子通信、量子计算机、量子传感器等技术，但不知道为什么，也无法用一套公式来完美解释这些量子力学现象。 毕竟，这是爱因斯坦毕生所为，没有任何事是靠人类的力量可以做到的，所以目前人类对量子力学的研究其实只是肤浅的。 那些研究量子力学的科学家，如玻尔说：如果一个人在学习量子力学时不感到困惑，那说明他根本不懂。 我国现任量子通信带头人潘建伟也表示：我不懂量子力学。 当然，这些科学家并不是从一般意义上理解量子力学，而是因为他们不理解量子世界为什么会这样。 那太远了。 如果你对量子力学感兴趣，推荐一本量子力学科普书《上帝会掷骰子吗》。

那么回到我们今天的话题——量子计算机。 我们都知道提高电脑性能的方法有3种：第一种是增加存储容量，也就是加一块硬盘，2T、3T、10T，可以存放更多的游戏和电影； 二是提高存储数据的速度，即使用4000Hz以上的DDR4内存，并且使用固态量子计算机对比特币摧毁，每秒3000MB固态； 三是提高运算速度，就是用更好的CPU，找Intel i9，AMD线程撕裂者。

传统计算机存储数据最基本的单位是比特，用0或1表示。两个比特有四种可能：00、01、10、11，但只能保存一种可能。 现在我使用量子存储，那是不同的。 因为在观察之前，量子的状态是不确定的，可能是1，也可能是0，而量子处于0和1共有的状态，称为量子的“叠加态”。 即1个量子位可以存储0/1的两种可能，2个量子位就是2的平方：00、01、10、11四种可能； 3个量子比特是2的三次方，八种可能。 以此类推：N个量子比特可以存储的数据是传统比特的2N倍，每增加一个量子比特，存储容量就翻2倍。理论上：只需300个量子比特就可以数清宇宙中所有的原子。

上面提到了量子计算机在存储方面的优势，但在运算方面，传统计算机因为“开关电路”的模式，一次只能输入一个数据，只能通过运算得出确定的结论。 我举一个实际的例子来说明：比如公共场所的监控摄像头捕捉到了10000张人脸，如果我们要从中找出10个犯罪嫌疑人，传统计算机需要将10000张照片与10个目标一一比对。 ，需要10万次比较，也就是10万次计算。 如果电脑只有2核，相当于计数5万次。 所以现在我们电脑和手机的CPU基本都有4核、6核、8核，就是为了能够同时进行多项运算，提高并行处理问题的能力。

量子计算机就不一样了：10000个面，我只需要14个量子比特就可以存储16384个数据。 每个面在转换成量子数据后，就相当于一组量子比特。 另一边，有10个靶标，同样转化为一组量子比特。 理论上，只要我设计一个算法，这两组量子比特一次计算就能找到10对配对目标。 当然，由于量子计算机计算出的结果无法直接读取，只能多次计算量子计算机对比特币摧毁，统计出概率最大的结果，然后才能得出一个确定的结论。

因此，与传统计算机相比，量子计算机相当于将10万次运算浓缩为一次运算，但这一次运算需要多次采样消除干扰，然后再选择结果。 但即便如此，也比经典计算机快一万倍，加上量子比特，量子计算机的速度甚至没有上限。 像我们的“九章”，它可以比目前最快的日本超级计算机“富岳”计算出一百万亿倍的“高斯玻色采样”问题。 也就是说，一台超级计算机需要一亿年才能完成的任务，《九章》只需要一分钟。

说到这里，很多朋友都快要说了：用这样逆天的电脑打游戏不是很好吗。 嘿，少年的好主意，欢迎来到中国科学技术大学量子信息国家实验室！ 那么我上面说的其实只是用最通俗易懂的语言解释了量子计算机的基本原理，以及关于量子计算机的具体设计，制造难度，以及大家最关心的，这个产品是什么未来能不能做，能给我们带来什么样的改变，我们下一期继续聊。