量子计算机，如何吊打传统电脑？

文章来源：老石谈芯原文作者：老石

量子计算已经成为了世界各国未来科技发展的必争之地。美国提出「无尽前沿法案」，预计投入千亿美元布局量子计算等10个领域；欧盟也投入10亿欧元，推行量子旗舰计划。中国的十四五规划和2035年远景目标纲要，也明确要加快布局量子计算、量子信息等领域。

现在很多人都认为，量子计算会引领下一波技术变革的浪潮。世界技术变革已经经历了三波重要的浪潮，一个是互联网和个人计算机的兴起，一个是移动互联网和智能手机的兴起，第三个是万物互联与智能设备的兴起。而量子计算，大概率会是未来科技发展的新起点。

国内外巨头公司也纷纷跟进量子领域，谷歌IBM英特尔都在造自己的量子计算机，特别是2019年谷歌宣布实现量子霸权。中国在量子计算领域也有世界领先的技术，2021年中科大潘建伟院士团队研发了九章二号和祖冲之二号量子计算机，比超级计算机快了10的24次方倍。

似乎到了量子计算领域，数字要么特别特别小，只有几个电子大小，要么特别特别大，性能提升后面放多少个零都不够用。

不久前，百度召开了量子开发者大会，并且发布了名叫「乾始 」的超导量子计算机，以及名叫「量羲 」的全平台量子软硬一体解决方案。说明百度也已经开始布局量子计算领域了。

但可能很多人都和我一样，看到量子计算的时候都会有茫茫多的疑问。量子计算机究竟是什么？它有哪些好处？它到底能干什么事儿？为什么这些大公司都在拼命布局这个领域？作为一个量子物理的外行、计算机领域的半个内行，我也是刻苦学习了一下量子计算机的皮毛。今天我们来就看一看这个引领未来科技发展的量子计算，究竟是什么；以及造一个能用的量子计算机，到底有多难。

1. 什么是量子计算

和传统计算机相比，量子计算机到底有什么优势呢？它最大的优点，就是比传统计算机的运算速度快的多的多的多，以至于它速度提升的倍数，1后面的0数都数不清。

举个例子，在破解密码的时候需要用到的一个关键操作，就是对一个数进行质因式分解：这个我们在小学可能就学过，比如把15分解成3和5的乘积，把63分成3乘3乘7的乘积。

这个操作看起来很简单，但当一个数很大的时候，分解起来就非常难了。比如对300位的数字进行质因式分解，传统计算机开足马力可能也要算15万年！但是对于量子计算机来说，就可以算的非常快，1秒钟就可以完成。

那么为什么量子计算机能算的这么快呢？这是由它的工作原理决定的。不过在介绍量子计算机的工作原理之前，有必要先简单了解下传统计算机是如何工作的，只有这样才能直观知道量子计算机到底提升在什么地方。

传统计算机的最小组成单位是晶体管，它本质就是一个开关，所以计算机最本质的工作原理就是利用晶体管的开和关，去表示0和1。这也是计算机里表示数的最小单位：比特，也叫做1位。有了0和1，我们就可以用二进制表示所有的数了，比如前面的3就是011，5就是101。我们还可以用很多个晶体管组成各种电路来完成特定的运算，比如加减乘除。然后这些简单的电路可以再组合成更加复杂的电路，最终形成一个完整的计算机芯片。

现代计算机芯片里包含了成百上千亿个晶体管，比如苹果的M1 Ultra里就有1140亿个晶体管。也有统计数据说，到2025年，世界上所有芯片里晶体管的数量总和，会超过世界上所有人身体里的细胞数量总和。毫不夸张的说，现代文明就是建立在这一个个小小的晶体管上的。

但是尽管有这么多晶体管，它们却有一个根本的问题，那就是每个晶体管在同一个时刻只有一个值。因为晶体管的状态要么是开要么是关，所以只能表示0或者1。也就是说，做一次计算，只能得到一个固定的结果。

所以如果要进行大量计算的时候，只有两种办法，一个是加快每次计算的速度，比如提高CPU的计算频率，另外一个就是多个计算同时进行，比如采用更多的CPU内核、或者买更多的计算机并行运行。但是对于前面说的特别复杂的问题，要算15万年才能解决的问题，买成千上万台服务器可能都解决不了。这个时候，量子计算机的优势就展现出来了。

量子计算机里没有晶体管了，它表示数的最小单位也不是比特了，而是叫量子比特Qubit。它也有0和1两个值，但它还可以表示0和1之间的任意状态，这个就是它的玄妙之处。这种特性有个专有名词，叫量子叠加 superposition。

打个比方大家应该就能理解了，上台阶的时候我们可以从一个台阶上到另外一个台阶，这两个台阶就是0和1.我们不能说上了半截台阶，或者上了73%的台阶。这个就是传统计算机的比特。但对于量子计算机，就没有台阶了，而是一个斜坡。我们可以从坡底一步走到坡顶，但也可以走一半，或者走73%，或者站在这个斜坡上的任意地方。

量子叠加是单个量子比特的重要特点，当多个量子比特放在一起的时候，还有另外一个非常重要的特性：量子纠缠。用非常简单的话说，就是多个量子比特会相互作用，纠缠在一起，从而形成一个整体。

量子叠加和量子纠缠这两个特性是量子计算的关键，借助这些特性，就能做出很多有意思的东西。最重要的就是一次性完成多个计算，从而极大提升计算的速度。比如对于传统计算机来说，两个比特能表示四个数，也就是00、01、10、11，但某个具体的时刻只能有一个值。但对于两个量子比特，这四个值可以同时存在。随着量子比特数的增加，能同时表示的数也会指数级的增加，N个量子比特就可以同时有2的N次方个值，这就相当于在同一个时刻，可以进行2的N次方个运算。随着量子比特数N的增加，这个数会变的非常大，当N=300的时候，这个数会超过全宇宙包含的所有原子的总数。相比之下，传统计算机在同一个时刻只能进行一次运算，这就体现出性能的巨大差别了。

不过，虽然量子计算机能同时算很多次，但并不是所有的结果都是需要的。比如一加一等于二，而不是013。这时候就需要我们设计专门的量子电路，通过改变量子比特的状态，对结果进行筛选，得到想要的一种或者多种结果。这些量子电路组合在一起，就是量子计算机。

但是值得注意的是，量子计算机暂时并不是一个通用计算机，而是一个专用计算机，也就是说，你可以专门设计一个量子计算机来做质因数分解，而且他会做的非常非常快，但你没办法用它来刷视频打游戏。至少到目前为止，量子计算机并不能取代我们现在用的传统计算机，它们更多是相互补充、取长补短，各自在自己适合的领域里使用。

2. 造一个量子计算机有多难

对于所有计算机，它的核心都是芯片。只不过传统计算机的核心是CPU，而量子计算机的核心是量子芯片。传统CPU芯片更关注芯片制造的工艺，比如使用3纳米还是5纳米工艺，相比之下，量子芯片对制程工艺并没有那么严格的要求，而是对芯片的运行环境有着严格甚至是严苛的要求。为了实现对量子比特的精确控制，就需要精确控制量子芯片周围的温度、震动、噪声、电磁波等等环境因素。

就拿百度这次发布的超导量子计算机乾始为例，它里面的量子芯片工作在极低的温度，达到了零下273.14度，只比绝对零度只高一点点。所以对制造量子芯片的材料也有更高的要求，比如使用更高纯度的硅等等。

除了芯片本身，设计芯片用的EDA软件也要重新设计和开发，比如需要重新采集低温环境下电路数据，并且对电路的行为进行建模仿真。为了达到接近绝对零度的低温，传统的冰箱肯定不能用，还要用特殊的制冷机。量子芯片的数据输入和输出，也要通过专门的路径和控制芯片来完成。所有的这些，其实都是量子计算机的硬件部分。

事实上除了硬件之外，软件也是同样重要甚至是更重要的部分。和传统计算机类似，量子计算机也需要通过编程才能使用，这就需要编程环境和编程工具，他们统称为量子计算平台。比如百度的量易伏，这次发布了3.0版本，它就结合了量子软件开发工具集SDK、云上的集成开发环境IDE，支持混合语言编程，还能从云端进行接入，并且可以连接多种不同的超导计算机硬件。

在接口的部分，由于量子计算机的结构和传统计算机差别太大，也需要专门的测试、优化与调度的测控平台，来对接量子计算机的制冷机、微波电子学设备、量子芯片等等核心硬件。就像百度的量脉平台，就可以将软件程序高效编译成量子硬件设备可以识别的脉冲信号，起到量子软件和硬件的桥梁和纽带作用。

虽然已经很复杂了，但这个时候这个量子计算机还不算是能用。为了真正让量子计算机从实验室里走出来，实现商业化应用，还要解决的另外一个关键问题就是应用和落地。就像人工智能里下棋的阿尔法狗、新能源汽车里的无人驾驶一样，量子计算也必须找到自己的杀手级应用。

除了一开始说的质因数分解这些特别基础性的应用之外，其实人们更关心什么时候能把量子计算机用在更广泛的领域，比如机器学习、互联网、生物医药这些地方，并且让普通开发者也能用量子计算机进行开发。

在这次百度的发布里我们可以看到，他们把百度飞桨和量子计算结合在了一起，做了一个量子机器学习平台量桨，在里面提供了量子神经网络、量子核方法、含噪量子电路模拟等模块，能帮助开发者快速进行量子机器学习的研发。

我觉得这对于广大机器学习从业者来说是个好事情，是否能够根据自己应用的特点，并且很好的利用前面说的量子计算机的特点，从而达到N个数量级的性能提升，这个说不定会产生非常有意思的工作，而且这比日复一日的调参要有趣多了。

除了机器学习之外，其他不同产业的开发者也可以利用这个量子软件平台里的应用软件、操作系统、硬件驱动来构建自己的应用。单靠一个量子计算机是远远不够的，只有通过软件和编程框架，让普通开发者能把量子计算机用起来，让各行各业都参与进来，一起把蛋糕做大，才能帮助量子计算真正实现产业化落地，这应该也是百度为什么花大力气去搞量子软件的主要原因。

3. 小结

对于任何新兴技术来说，开放合作、兼容并包，一起构建健康的生态，是最重要的。有个很有趣的例子，就是量子计算刚兴起的时候，如果它的性能远超传统计算机，我们就说它取得了量子霸权。但后来，人们就不说霸权了，而是把这个词改成了量子优越性。从这个细节其实能看到，其实量子计算并没有什么霸权，前面说了它甚至并不能取代传统计算机，二者更多的是相互补充和促进的关系。

事实上，比霸权更重要的，是通过量子计算给人类社会带来的共同进步。量子计算对传统计算机的超越，并不是结束，而是刚刚开始。

（本文不代表老石任职单位之观点）

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院半导体所立场

---

编辑：时生