中国战略新兴产业融媒体见习记者 陈雯
横空出世的中国量子计算原型机，名为“九章”。
“76个光子”“200秒”，这些突破由中国科学技术大学等单位组成的研究团队率先完成。
如果一定要做个等效比较，那么中国的“九章”比谷歌的“悬铃木”快1亿倍，比世界第一的超级计算机“富岳”快1百万亿倍。量子态叠加原理使得量子计算机每个量子比特能够同时表示二进制中的0和1，而经典计算机一次只能分别表示0或1的某一状态，因此量子计算机在特定计算问题上，能够有指数级的性能提升。
但所谓的“200秒”，其实倍受质疑，因为它指的是用“九章”模拟玻色取样分布概率的时间。也就是说，就算是屡屡攻破城池，攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题，取得的模拟玻色取样计算速度的头筹，也不过是拿下了竞技赛场上的一个单项。作为计算机，量子计算机的通用性能还远不能达到普遍意义上的使用标准。
在“九章”有如此重大突破的今天，你相信量子力学的“玄学”吗？
量子计算机，打游戏？
家里的旧电脑似乎总是不够用：程序会闪退，视频得缓存，用电子表格做个统计都能卡到蓝屏。而这个200秒算玻色取样的量子计算机，听说相当“优越”？这里首先要区别一下，除了性能“优越”，更主要的，是在谷歌“量子霸权”的态度下，中国科学家对其强调了“量子优越”，可谓不卑不亢。
事实上，不必说缥缈无影的“量子计算机”，单是已经可以商用的“超级计算机”，其游戏体验就可能要输给小区网吧了。
“游戏都不能打，散了吧”——是唱衰还是看好？对量子计算机，人们仍然保持怀疑，但也没有人能否定速度的力量。计算机最初就是用于“计算”的，超级计算机就是将这一工具的本质发挥出“超级”的速度。一个例子是，“天河二号”计算1小时得出的结果，需要13亿人用计算器算上1000年；另一个令国人心潮澎湃的成果是，“天宫一号”飞行和陨落状态的模拟，就是基于“神威·太湖之光”超级计算机，用了20天“算”出来的。
超级计算机的厉害之处是拥有成千上万颗CPU，但一般情况下，用户玩游戏的诉求是单核的性能足够强。因此，用超算打游戏，意义确实不大，毕竟玩家也无法分身同时打多个游戏。
就“打游戏”这个话题，超级计算机看起来不太有发挥的余地，那这个设想之于量子计算机，又作何讲？
一个显而易见的事实是，量子计算机太贵，对工作环境的要求又太过于苛刻。IBM的量子计算机需要将超导电路置于庞大的冰箱里，才能进行运算和储存。“常温”是“九章”的一大技术亮点，但其探测部分还是需要低至-269℃（4K）的工作环境。
为何要严格控制温度条件？正如培养皿的实验常常要求温暖，量子的测试也需要处于低温下才能见到明显的效果：降温后，分子和原子做无序运动的动力被压抑，变量得以控制，量子的特性也就能更好地体现。难为我们的科学家，辛苦营造出比宇宙星际空间的平均温度还要低的实验环境了。
量子比特需要超低温是一个重要限制条件，而与极端工作环境相关的麻烦其实还有很多，比如超导材料的损耗，比如量子稳定保持叠加态的短暂时间，再比如过于庞大的工作装置。其中一个技术瓶颈是，量子计算机容易受外界环境的影响而导致退相干，因此所有的运算必须在退相干发生之前完成，才能保证运算结果的可靠性。今天的量子比特，或者说量子位，只能在几毫秒内维持某个量子态，在外界干扰导致它们“退化”后，它们所处理的信息就丢失了。如果没有更稳定和强大的量子比特，计算机仅仅为了纠正量子系统中的错误就会消耗掉大部分系统的资源。目前，该时间的上限为100微秒。这意味着，量子计算机必须在100微秒内完成全部运算流程。
简单来说，量子计算机的造价高昂，暂时不能投入商用。
退一步讲，如果放在实验室里，量子计算机可以用来打游戏了吗？非常遗憾，仍然不行。8年前的旧电脑再卡，至少可以扫雷；最新的“九章”能突破极限速度验证“玻色取样”，却不会计算加减乘除。原因在于二者解决问题的方式根本就是不一样的：
手机、PC、超级计算机，基本元件都是二极管，原理是用开关表示0和1，精髓在于“数字化”的运用。
而量子计算机的基本“元件”是随机运动的光子，“九章”的工作结果就是对53个量子的精确观测结果，是不能改变的事实，所以没法拿来做基本的“计算”。
总结起来说就是，经典计算机是通过快速运算得出答案，量子计算机是通过快速实验预测结果。这么说来，那量子计算机还能称为“计算机”吗？
“遇事不决，量子力学”
但先别急着考虑量子计算机是不是真正意义上的计算机。试问除了从业者和爱好者，真的有人关心量子计算机是怎么工作的吗？
仔细想想，还是有的。过去几年，量子概念有了落地的市场。一时间，复杂的量子物理世界在我们眼前炸开，扰乱了视听。量子产品的概念乍一听颇具说服力，谈论得多了，想象也快要成了真。是道听途说也罢，是冲动消费也好，参与量子知识普及的这些做法，其实发自于普通人追求科学真理的一种自觉。
“量子”二字，到底是个什么来头？
量子态叠加原理是量子力学的基本原理之一。量子态叠加原理可以由薛定谔的思想实验“薛定谔的猫”形象理解：即和镭、氰化物关在一个箱子里的猫，在观察者打开箱子之前既不能说是存活、也不能说是死亡，可以认为是处于“存活和死亡的叠加态”。
经典计算机使用晶体管作为比特，以晶体管的开闭状态分别表示0和1。量子计算机使用两态量子系统比如电子的自旋、光的偏振等作为量子比特，由于量子态叠加原理能够同时表示0和1，量子比特较经典比特带有更多信息，且呈幂指数级别增加。1台n位经典计算机一次表示1种状态，1台n位量子计算机一次表示2n种状态。也即，1台n位的量子计算机算力，相当于2的n次方台n位的经典计算机算力。
量子计算机商用尚远，以量子科技概念包装的产品却已屡见不鲜。近些年来，我国科学家在量子通信领域喜报频传，却让不法商家有了新的可乘之机。“量子养生衣，植入了高频量子芯片，打通人体微循环，解决各种身体堵塞问题，提高免疫力，改善亚健康”等市面上的“量子”产品，则纯属无稽之谈。
那么，一件产品量子不量子，看什么？
中国科学技术大学教授、中国科学院院士郭光灿给出了说法：“判断一个商品是不是量子的，就是要看它有没有用到量子的相干性、叠加性，如果没有用上，它就不是量子。”“九章”使用的，是具有上述特性的光子，而光子的控制又是通过复杂电路实现的超导效应，加之精确算法辅助计算，因而，相比于传统的数字电路只有0或1两种选择，“九章”使用的粒子则能够同时处于多种状态。
在解决实际问题的过程中，CPU采用“串行”计算，即将一个问题的若干部分按照顺序依次进行运算；GPU采用“并行”计算，即将一个问题拆成若干个小问题后，同时对每个小问题的一部分进行运算；QPU（量子处理器）则利用量子叠加性快速遍历问题的各种可能性并找到正确答案。但实现起来并不容易，必须具有一定的规模，有几百到上千个量子比特，而且彼此之间应当能够被单独分辨或操作，以及从整体上完全掌控，这样的量子计算机才真正具有足够优越的性能。
目前量子科技的研究，主要还集中在量子通信、量子计算和量子精密测量等领域。专家指出，量子技术的前景应用非常好，但真正应用到百姓生活可能还要很久。
所以当我们遇事不决，也别再量子力学了，多给这个技术一点成熟的时间吧。
技术前瞻
可以说，目前来看，与量子有关的大多数消息都只能纳入所谓“玄学”范畴，难以切实改变我们的现实生活。但是，量子计算机的本质，可以认为就是当计算机技术受到摩尔定律限制时，一种具有前瞻性和战略意义的开拓。
当芯片做得足够小，电子的行为就不能单纯用“电流”这样的概念来描述，电子会表现出量子特性，人类这几十年发展的集成电路设计的知识也就不再适用。所以人们一方面不断改进工艺，延长摩尔定律的寿命，另一方面，利用粒子的量子特性来尝试进行计算，这也不失为一种有魄力的技术变革。另外，超导线圈，冷原子等也都是有研发价值的载体。量子计算机就是在这个基础上研发出来的。
根据量子力学，量子系统在经过“测量”之后就会坍缩为经典状态。量子计算机在经过量子算法运算后每一次测量都会得到唯一确定的结果，且每一次结果都有可能不相同。正如前文所说的“薛定谔的猫”，当我们打开密闭容器后，猫就不再处于叠加状态，而是死或者活的唯一状态。
虽然听上去很玄妙，但就量子计算机而言，我们大可不必担心它是“玄学”的把戏。
谷歌和IBM并列为量子计算两大巨头，在量子计算硬件方面代表了目前全球最高水平之一。尤其是谷歌，在量子计算机领域有极强的竞争优势。正是谷歌提出的“量子霸权”概念，为量子计算吸引了大量热度。而且谷歌拥有世界上最强大的数据中心，积累了海量数据以供量子机器学习算法运行。当然，我国亦紧随其后，在量子计算领域，与国际领先水平存在约5年左右的差距，已经明显小于经典计算机时代与国际的差距。
>> IBM 的“量子比特五线谱”
通常，如果想知道一个物理系统的运行和演变，一种方式是描述这个系统运动的基本方程，计算出系统每个时刻的变化；另一种方式是做实验，创造一个和已知物理系统相同条件的系统，让它在相同的规律下演进、变化，通过对实验结果的观察来获得我们想要的信息。费曼猜想，既然世界的底层规律是符合量子力学的，如果没有能力用数值求解，可以人为创造一个符合量子规律的有效系统，使这个有效系统所满足的量子力学方程同我们的求解对象完全一致。费曼的这个想法，进一步演变为数字式的量子模拟和模拟式的量子模拟，前者在量子计算机上，用量子比特来构建模拟对象，模拟系统的性质，后者直接构建所模拟的有效量子系统。
根据基础的量子门，科学家可以开发出相应的量子算法，只要量子算法设计合理，量子计算机运算结果中出现概率最大的结果就是正确结果。面对较为复杂的计算问题，经典算法需要进行各态遍历等重复操作，算法的复杂度较高，效率较低；而量子算法则能较快得到结果，只需少数测量取样，计算得到某一种结果的概率，即可知道正确答案。基于量子计算机特殊的硬件系统，量子计算机可以运行一些经典计算机无法运行的特殊算法（如Grover，shor，quantumrandomwalkshor等），解决特定问题。
研究也发现，量子模拟除了擅长模拟量子多体系统随时间的演化，还有可能模拟目前尚没有办法求解的强关联多体系统，而这两类问题正是多个学科分支——如凝聚态物理、量子统计力学、高能物理、原子物理、量子化学等学科的拦路虎。除此之外，通过量子模拟还有可能模拟目前现实世界物理设备所达不到的物理条件，演示那些已经被理论预言、但是从未在真实世界中观测到的物理现象。
传统计算机已经可以解决很多问题，但是通过量子计算机模拟量子世界，可以让人类进一步理解世界，这也是我们对量子计算机能够投入实际生活的期待。通用量子计算机和通用人工智能一样，是属于未来的“黑科技”，代表着人类技术水平在想象力所及范围之内的巅峰。在可以想见的未来，经典计算机仍将承担传统的办公娱乐等功能，而量子计算机则将用于解决大型分子模拟、寻找大数质因数等经典计算机无法模拟的领域，并在AI计算领域对传统算力进行提升。而就其前景而言，生物医药、化工能源领域则有望最早落地。
来源：本刊原创稿件
编辑： 艾丽
审核： 赵涵