一文看懂量子計算機為何那么快！
點擊： 作者：星話大白 來源：大白話時事 發布時間:2020-12-06 12:30:42
在我們自己的量子計算原型機“九章”問世后，不少人對量子計算機這個看起來有點神秘的新鮮事物感興趣，但又不知道具體量子計算機跟電子計算機有什么區別。
而且新聞里提到的量子計算機的性能數據有點太過于“驚人”。
“九章”量子計算機，在處理“高斯玻色采樣”問題時，速度是目前最快的超級計算機的100萬億倍。
也就是說九章量子計算機只要花200秒就能處理好的事情，目前世界上最快的超級計算機 要計算6億年！
這就是量子計算機相比經典計算機的性能“碾壓”。
“九章”的輸出態空間達到了10的30次方，光是要記錄這些狀態，用光世界上左右的內存、硬盤、光盤還不夠。
面對這些“天文數字”的性能指標，一些人開始在懷疑這個是不是在吹牛。
不過呢，會懷疑是不是吹牛的人，基本是對量子力學和量子計算機一無所知的，不明白量子計算機跟電子計算機幾乎可以說是兩種次元的產物，也不明白量子計算機為何會取得對電子計算機有如此“碾壓”的性能優勢。
其實去年谷歌研發出來的53個量子比特的量子計算原型機，當時谷歌提出一個“量子霸權”的說法。
這個量子霸權，也翻譯做“量子優越性”，意思是“如果量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明量子計算在未來有多方超越的可能。”
所以，不管是我們的九章量子原型機，還是谷歌的量子原型機，都是“單一”用途的原型機，而非通用型原型機，只能解決某一類數學難題。
比如我們的九章量子原型機，是針對解決“高斯玻色采樣”。
而谷歌的量子原型機，是針對解決“隨機線路采樣”。
這些數學難題，用經典計算機去計算，動輒都是要上億年也算不出結果。
但只要用量子計算機，像“九章”只需要要計算10小時，但超級計算機需要1200億年。
因為二者這個性能差距太大，所以量子計算機可以取得對經典計算機的“霸權優勢”，意思是絕對的碾壓。
不過，目前學術上對于量子計算機是否可以成為“穩定”的通用型計算機，還是存在一些爭議的。
這個主要因為，量子計算機是基于“量子疊加態”這個神奇的量子效應來實現的，用科幻點的說法打比方說，就是有N多個平行宇宙的量子計算機，在一起幫你并行計算，才會讓量子計算機那么快。
但量子疊加態是不穩定的，一旦坍縮這個計算數據很容易丟失。
所以從穩定性來說，量子計算機是遠不如經典計算機。
因此，不管是谷歌的量子計算機，還是九章量子計算機，這樣的原型機設計出來，目的只有一個，那就是跟世人證明，量子計算機可以有實際用途！
所謂量子霸權就是說，只要量子計算機能夠解決某單一問題，成為專用機，那么就存在慢慢成為通用機的可能性。
但其實，即使量子計算機最后被證明沒辦法成為通用計算機，但只要量子計算機可以成為解決某一類難題的專用計算機，那么量子計算機仍然可以在數學、醫藥、材料等領域發揮重要作用。
比如說可控核聚變，昨天我們在可控核聚變也取得了重要突破，首次“放電”，雖然這距離真正“可控”的核聚變仍然還十分遙遠，但也是重要的突破。
而可控核聚變實際上就是一直卡在材料問題上，而量子計算機在針對特定的材料設計的模擬計算上，具有碾壓經典計算機的優勢。
也就是說，一旦量子計算機進一步發展，單單在材料學上的貢獻就可以發揮巨大的作用，到時候也可以幫助諸如可控核聚變還有其他工程應用領域，都帶來巨大的突破。
這是量子計算機可以帶給我們的美好愿景。
包括像人工智能，我們當前整體的算力瓶頸問題，其實都可以通過量子計算機的發展，來實現突破的可能。
所以，量子計算機并不是什么忽悠工程，而是實打實的當前世界大國都在爭先恐后競賽的領域。
目前只有我們和美國，有能力研發量子原型機。
在這個領域，我們和美國是唯一的競爭者，誰在這個領域能夠取得技術上的領先，將至關重要。
所以今天文章我就來跟大家科普一下，究竟“量子計算機”跟“電子計算機”有什么區別，為什么會有這么大的性能碾壓優勢。
量子計算機和電子計算機的區別，不是簡單的把經典計算機架構里的“電子”給換成“量子”，二者是完全不同次元的產物。
所以要真正明白這個問題，首先需要來了解一下什么是電子計算機。
（1）計算機發展史
最原始的計算機，是機械傳動的，理論上我們的算盤應該算是最古老的計算機。
在硅谷的計算機博物館里寫著“計算機2000年的歷史”，其中源頭就是擺著我們的算盤。
不過算盤作為最原始的計算機，并不夠自動化，更多依賴于人工手動。
而真正可以有自動化運算功能的機械結構計算機，是1822年英國數學家設計并制造出可動模型的“差分機”。
不過這個差分機當時只是做出模型，實際并沒有多大用途。
機械式的計算機，由于極低的運轉效率，是注定不可行的。
所以在進入20世紀后，隨著量子力學這樣全新理論的出現，讓整個微觀世界出現理論爆炸式發展。
而隨著科學家對微觀世界的探索越發深入，人們開始萌發出研制“電子計算機”的想法，也就是通過電來驅動的計算機，而非機械驅動。
最原始的電子計算機是“繼電器”計算機，然后是電子管計算機、最后就是現在的晶體管計算機。
繼電器簡單說是一種可控開關，靠簡單的電路開關就可以做計算機？這個還真可以。
其實計算機最核心的是CPU，而CPU最核心的就是邏輯運算，而邏輯運算的實現方式，其實就是通過“開關”。
現代電子計算機，不管是“繼電器”計算機、還是電子管、晶體管，之所以會被歸于同一類計算機，因為他們都是采用“邏輯門”運算，只不過是用“繼電器”當邏輯門，還是用電子管和晶體管當邏輯門的問題而已。
在上世紀美蘇爭霸的時候，美國押注了晶體管路線，而前蘇聯則押注了電子管路線。
并且前蘇聯還走了歪路，搞出了三進制的計算機，在大規模商業化上，完全被二進制的晶體管計算機碾壓，最終這也讓前蘇聯和信息化時代無緣，也是美蘇爭霸里蘇聯之所以失敗的其中一個很重要原因。
可見，一個國家在關鍵領域的技術路線選擇上，是要慎之又慎，要是押錯路線，很容易滿盤皆輸。
現代經典計算機，都是采用“馮諾依曼”結構，并且是使用邏輯門進行邏輯運算的計算機。
這里順便說一下馮諾依曼這個人，他是一名天才，但天才其實也并不少見，馮諾依曼最夸張的地方，他是一名超級全才。
馮諾依曼被譽為計算機之父、博弈論之父，同時他還是一名全能型數學家，而且還是量子力學的奠基人之一，在物理、化學都有很深造詣，還參與過美國曼哈頓核武器研發計劃。
他可以說是現代科學史上最后一名全才型科學家，在他去世之后，隨著科學大廈越來越龐大，并且更加細分化，現在已經沒有出現過這樣璀璨的超級全才型科學家。
回到今天文章里。
在1930年，有4名數學大牛齊聚一堂在討論“形式化運算系統”的研究，這其實就是在研究“自動化運算”的可能性。
這4個數學大牛就是阿蘭圖靈、馮諾依曼、庫爾特·哥德爾、阿隆佐·丘奇。
其中阿蘭圖靈和馮諾依曼是被譽為計算機之父。
關于阿蘭圖靈這個人，估計喜歡看科幻小說的人都聽過“圖靈機”這個名詞。
特別是阿蘭圖靈還是“人工智能”的先驅者，1949年圖靈曾經發表著作《計算機器與智能》，里面提出著名的“圖靈測試”，十分前瞻性的提出如何辨別人類和人工智能。
不過，阿蘭圖靈在計算機上的貢獻最主要在于，他提出可以通過0和1進行邏輯運算解決復雜問題。
而邏輯運算就是現代計算機的最核心規則。
在此基礎上，馮諾依曼提出了“運算器、邏輯控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備”這計算機五大部件。
這也被稱為“馮諾依曼結構”，這個結構一直被沿用至今，哪怕是量子計算機也沒有完全離開馮諾依曼結構里。
馮諾依曼這五大部件，其實對應一下很好理解。
運算器和邏輯控制器構成了CPU主體。
其中存儲器就是內存和硬盤。
輸入設備就是鍵盤和鼠標。
輸出設備就是屏幕。
在這五大部件里，最核心的自然就是CPU，而CPU里最核心的就是邏輯門，因為CPU邏輯運算就是通過邏輯門來進行的。
限于文章篇幅，我沒辦法把這五大部件挨個說一遍，只能重點講講CPU邏輯運算的原理。
這實際上也是電子計算機和量子計算機的最主要區別地方，二者的計算原理是完全不一樣的。
（2）邏輯運算
我來問大家一個問題，你們知道你現在握著的手機，其芯片的運算原理是什么嗎？
估計知道答案的人并不會太多。
計算機的計算，并非數字計算，而是邏輯計算。
這個意思是，比如你在手機里打開計算器，輸入一串數字相加，計算機并非直接把這串數字相加來告訴你結果。
而是要先把這串數字傳化成二進制數據，然后通過對二進制數據進行邏輯運算，再把邏輯運算的結果輸出轉化為十進制數據，然后呈現在大家屏幕里。
那么大家要先明白什么是邏輯運算。
邏輯運算就是說，運算的過程是依賴于邏輯，而非數字符號本身。
所以不像數字運算有嚴格的唯一結果，比如1+1只能等于2，不能等3。
但在邏輯運算里，0+1可以等于0，但0+1也可以等于1，取決于事先定義的邏輯是怎么樣。
也就是說邏輯運算只取決于“組合規律”。
而之所以使用二進制做為邏輯運算，只是因為二進制進行邏輯運算，最為簡單。
二進制是只有0和1這兩個數字。
所以，當一組只有0和1的邏輯運算結果，并不復雜，兩個二進制數字的排列組合最多只會有4個。
0+0
0+1
1+0
1+1
也就是輸入端輸入兩個數字，然后輸出一個結果，進行邏輯運算，會有上述這4種情況。
而我們可以根據定義可能出現的結果，來做一個邏輯對應。
比如說有下面這種情況。
0+0=0
0+1=0
1+0=0
1+1=1
這種邏輯運算輸出結果的規律是，只有同時輸入兩個1，才能得到1，其他只有有一個為0，輸出結果就為0。
我們這里可以不用0和1，比如用真和假。
1代表真，0代表假。
那么這個運算結果的邏輯是：只有二者皆為真，結果才為真，只要有一個是假的，就都是假的。
這個邏輯，叫做“與”邏輯。
然后我們再來看另外一種邏輯。
0+0=0
0+1=1
0+1=1
1+1=1
這個運算結果的邏輯是：只要有一個是真，就都為真。
這個邏輯，被稱為“或邏輯”。
然后還有一個邏輯是叫做“非邏輯”，意思是只對結果做一次“反值”。
在非邏輯里，只需要有一個輸入數字，然后輸出一個結果。
0→1
1→0
也就是說，非邏輯就是把假的變成真的，真的變成假的。
這就是二進制邏輯運算的三大核心邏輯“與、或、非”。
這三大邏輯，實際上就是CPU邏輯運算的核心，不管再復雜的計算，都是通過這三大邏輯去實現的。
是不是感覺很神奇呢？
你現在用手機屏幕看到的所有影響，呈現的所有文字，其背后都是通過把“0和1”這兩個數字，通過三個邏輯運算，所計算出來的輸出結果。
那么這是如何實現的呢？
這就涉及到“邏輯門電路”。
電子計算機之所以被稱為電子計算機，是因為他的邏輯門是由電路構建的。
串聯電路和并聯電路大家應該不陌生吧，這是初中物理的知識。
下圖是一個串聯電路。
我們如果把開關跟0和1做一個映射關聯，比如說，閉上開關為1，斷開開關為0。
那么我們用最簡單的串聯電路知識就會知道。
只有兩個開關都閉合上，燈泡才會亮。
那么我們同樣把燈泡亮不亮跟0和1做一個映射關聯，燈泡亮代表1，燈泡不亮代表0。
于是就可以得到這樣一個結果。
也就是，兩個開關都閉合上，燈泡才會亮，只要斷開其中一個開關，燈泡就不亮。
不知道大家發現沒有，這實際上就是“與邏輯”。
也就是說，我們可以通過串聯電路實現與邏輯的運算結果。
那么我們再來看并聯電路。
我們用初中的并聯電路知識就知道。
只需要閉合上一個開關，燈泡就會亮，只有兩個開關都斷開，燈泡才會不亮。
我們同樣把開關閉合和斷開，跟1和0映射，把燈泡亮和不亮跟1和0映射。
就會得到下面這個邏輯運算結果。
想必大家也發現了，這實際上就是“或邏輯”。
也就是說，我們可以通過并聯電路實現“或邏輯”運算。
至于非門實現起來會比較復雜一些，但仍然可以通過電路來實現非門的邏輯。
也就是說，我們可以利用電路的串聯、并聯開關，來實現“與、或、非”的這三個邏輯運算。
實現這樣邏輯運算的，也被稱為“門電路”。
“與、或、非”是最基礎的三個邏輯門電路。
在這個基礎上，通過把多個串聯和并聯電路、非電路組合，可以衍生出其他種邏輯門電路。
比如把“與門”電路和“非門”電路串聯起來，可以得到“與非”門電路，得到的邏輯運算結果是跟“與門”相反。
以此類推，還有或非門、異或門、同或門。
總而言之，這些門電路，最基礎的就是“與、或、非”這三大邏輯門電路，其他都是用這三個去組合出來更復雜的邏輯門電路。
圖靈和馮諾依曼這些科學家，之所以被稱為計算機之父，是因為他們創造出用邏輯運算來實現加法運算的方法。
上面說過，邏輯運算并非“加減乘除”四則運算。
要把邏輯運算變成可以實現“加減乘除”的四則運算，中間還有一個十分復雜的轉換過程，限于文章篇幅，我就不再這里展開敘述，因為如果再往下說，估計能再寫個1萬字。
簡單說，通過邏輯門電路，可以組合成“全加器”，但一個全加器只能進行1位二進制加法運算。
不過把多個全加器組合起來，可以實現對多位的二進制加法運算。想要實現8位數的二進制計算，就一共需要搭建8個全加器，144個邏輯門電路。
計算機的CPU，就是這樣不斷堆疊出量的門電路，來實現強大的計算能力。
可以說加法是計算機唯一在做事情，其他像減法、除法、乘法，都可以通過構造加法來實現。
比如說減法運算，可以在加法基礎上通過“補碼”來實現。
這塊知識比較復雜，這里就不展開敘述，大家大概了解一下就行了。
一開始人們是用“繼電器”來制作邏輯門電路，這就是繼電器計算機。
后來人們用電子管來制作邏輯門電路，這就是電子管計算機。
而現代電子計算機則是用晶體管來制作邏輯門電路，這就是晶體管計算機。
后來人們掌握了把晶體管大規模集成到小小芯片上的技術后，就有了計算機產業的飛速發展。
但不管當前互聯網呈現如何多姿多彩的世界，其背后都只有由0和1構成，而能把0和1這兩個數字演變成如此龐大復雜的互聯網信息時代，就是通過三大邏輯門運算。
這不由讓我想起《道德經》里的一句話：道生一、一生二、二生三、三生萬物。
如果我們把這里的“二”，理解為0和1的二進制，那么“二生三”實際上就是指“陰陽變化有三”，而三生萬物則可以理解為“通過三個陰陽變化可以衍生出萬事萬物”。
其實，當前的互聯網里的虛擬世界，就是“一生二、二生三、三生萬物”的一個實例體現。
大家應該知道，我以前會用業余時間去寫寫小說，這是我的興趣愛好。
我以前寫過一本小說，是說用制造計算機的方式去修真，通俗說就是把人體變成了一個大型計算機去修煉。
當時為了寫那本小說，我啃了十幾本計算機原理有關的書，我甚至在那本小說里介紹了如何從無到有去打造一臺簡單“加法機”。
當然，因為那本小說寫得實在太過專業晦澀，理所當然的就撲街了，沒有多少人看，有機會的話，我會重新修改一下在我自己的“大白奇書”公眾號上連載。
其實當時寫那本小說會開那個腦洞，也是因為我從當前互聯網的虛擬世界里，感受到這種“三生萬物”的魅力。
現實和虛擬的界限，隨著科技的不斷發展，其實在不斷的模糊。
在“黑客帝國”那部神作里，早就描繪出這樣一個可以以假亂真的虛擬世界，當人們都分不清虛擬還是現實的時候，什么是真，什么是假，就變成了一個很意思的問題。
進一步聯想，其實不少人都在懷疑，我們當前所處的現實世界，亦或者會不會也是某個超巨型計算機的演算結果？
這其實不但是很多科幻小說喜歡用的題材設定，也是當前最前沿的理論物理學的研究領域，比如說有科學家認為，黑洞就是一個巨型計算機。
因此，我們從計算機的邏輯運算原理，其實可以感受到我們古人的智慧。
0和1這兩個數字，通過三大邏輯運算，衍生出當前我們多姿多彩的虛擬世界。
那么我們現實中是否也存在這樣的演化規律呢？
其實像上面提到的“與、或、非”這三大基礎邏輯，我用真和假來舉例。
其實除了真和假，也能用陰和陽來舉例。
比如說陰=0，陽=1。
那么實“與、或、非”這三大邏輯用陰陽變化來解釋就是這樣的。
‘與’為陰盛陽衰，即，一陰一陽，合則為陰。
‘或’為陽盛陰衰，即，一陰一陽，合則為陽。
‘非’為陰陽轉換，即，將陰變陽，由陽化陰。
這其實就是陰陽變化的三種最基本變化。
由這三種陰陽變化，可以衍生出萬物。
所以，道生一，一生二，二生三，三生萬物。
我們古代道家哲學的陰陽變化之道，其實跟現在的信息科技是有暗合之處。
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這段話也是我之前小說里的內容，算是我自己的一個腦洞吧，只是幫大家開開腦洞而已，想象可以盡情的去想，但大家也不用太當真，不然很容易變成“民科”。
就像我昨晚在留言里回復讀者的那樣，古人的確充滿智慧，留下很多精妙絕倫的哲學思想，很多都是超前于時代。
不過哲學和科學的最大區別就是，科學是要能應用的，而哲學只需要想就行了。
這是“寫意”跟“寫實”的區別，想和做是兩碼事。
古人只是靠自己“想”可以得出“三生萬物”這樣的意境。
但是單靠這樣的“意境”卻不能讓計算機誕生出來，也沒辦法讓人類生產力急劇增長。
從哲學上的“意境”，要變成生產力去實際應用，是有很長的路要走。
畢竟我們所處的是一個物質世界，不是可以通過精神思維直接影響現實的“魔法世界”。
而科學要做的就是把“哲學”單純“想”，轉化成“科技應用”可以實際去“做”。
我個人認為，科學實際上就是把人類想象力不斷實現的過程。
從這點看，哲學和科學一直都是相輔相成的。
量子計算機，實際上就是帶有這樣神秘色彩的科學產物。
（3）量子計算機
量子計算機之所以跟傳統計算機不一樣，是因為它們的運算原理是不一樣的。
經典電子計算機是通過“邏輯門電路”來實現邏輯運算的。
而量子計算機的基本計算單元，叫做“量子比特”。
量子比特這個名詞雖然看起來高大上，但實際上就是 “0或者1”。
比特是指計算機存儲數據的最小單位，就是0或者1。
經典計算機的經典比特是固定的0或者1這樣的數字。
而量子比特跟經典比特最大的區別在于，量子比特處理的0或者1，這兩個數字是處于“量子疊加態”的。
要是有不理解“量子疊加態”的新讀者，可以去看我“大白話時事”公眾號昨天的文章，是一篇很詳細的量子力學科普文。
也就是說量子計算機的處理數據，并非0和1，而是處于量子疊加態的0和1。
這個量子疊加態的0和1，有比較專業的符號來表示|0> 和|1>。
經典計算機是用電路開關的閉合狀態來區分0和1，而量子比特則是利用粒子的狀態不同來區分。
比如說用光子的兩個正交的偏振方向，磁場中電子的自旋方向，或核自旋的兩個方向，來區分0和1。
這也是為什么，量子比特通常是由光子、電子這樣的基本粒子構成。
比如我們這次的九章量子計算機，就是用76個光子，構建了76個量子比特。
也就是說，1個光子就是1個量子比特。
這里大家也能看出量子計算機和經典計算機的最大區別，就是這個計算單元的不同。
經典計算機是通過邏輯門電路來計算，而量子計算機就是通過量子比特計算。
1個量子比特也是一個“量子門”。
由于一個量子比特里，0和1是處于量子疊加態，所以單單一個量子比特就可以對應“可能是1、也可能是0”。
那么兩個量子比特，就有4種存儲狀態|00>態, |01>態, |10>態和|11>態。
其實就是：00、01、10、11，也就是兩位數的二進制的存儲數據。
n個量子比特有2的n次方種可能的基本狀態，量子疊加態的一般形式就是這2n個基本狀態相加。
也就是指數級增長，所以，在量子比特不超過50個的情況下，還不能取得對經典計算機的碾壓優勢。
比如說1個量子比特可以存儲2個，2個量子比特可以存儲4個，3個量子比特可以存儲8個，4個量子比特可以存儲16個。
但一旦超過50個量子比特，這個存儲容量是遠超過經典計算機結構的。
谷歌去年推出的量子計算機有53個，它的基本狀態就是2的53次方個，也就是10的16次方個，也就是1億億個。
我們的九章量子計算機，有76個量子比特，也就是2的76次方，約等于10的30次方。
而目前全世界所有存儲器加起來的存儲容量，也只有10的22次方。
也就是說，光光九章計算機的輸出態空間（量子糾纏可能出現的狀態），要記錄這些狀態，把全世界所有內存硬盤加起來都不夠。
所以可以看到，量子計算機一個很大優勢在于，只要增加一個量子比特，其計算速度和存儲狀態都是指數級增長。
現在還只是76個量子比特就可以有這么快的計算速度，后面要是增加到幾千個，甚至幾千萬個的時候，那簡直是不可想象。
另外量子計算機還應用到量子糾纏這個神奇效應。
量子糾纏的意思是，兩個量子疊加態粒子，會通過一些相互作用進入到“糾纏狀態”。
這個時候，如果我們對其中一個粒子進行測量，確認其處于|0>態，那么我們就可以瞬間知道另外一個粒子處于|1>態。
而不管另外一個粒子距離有多遠，哪怕距離幾億光年，我們也可以瞬間知道另外一個粒子會處于什么狀態。
這就是量子糾纏的超距效應。
然后再來說說，量子計算。
量子計算就是巧妙地操縱量子疊加態，通過“量子門”計算，以量子力學原理作為計算邏輯，超出了經典計算機使用的布爾代數邏輯計算的范疇。
這也是量子計算機和經典計算機的最大區別。
現代的電子計算機雖然也是在量子力學基礎上才得以建立的，但是其計算邏輯卻沒有用到量子力學，而是用“經典邏輯運算”，所以電子計算機算“經典計算機”。
而量子計算機的計算邏輯，是“量子計算”，所以才叫做量子計算機。
由于，量子計算是通過量子比特的疊加態去計算，這使得每一個量子比特都不是固定的狀態，而是“可能性”狀態，這使得量子比特的數量越多，量子計算機的計算速度也是指數級增長。
因為量子比特是具備“可能性”狀態，所以在并行計算上，量子計算機的計算速度是遠超過經典計算機。
特別是涉及到一些“概率計算”“隨機計算”“可能性計算”方面的問題計算時，可以充分發揮量子計算機這個并行計算的特性。
但反過來，一些普通的線性計算問題，量子計算機則體現不出這種對經典計算機的碾壓優勢。
比如說，兩個數相乘，不管這兩個數字多大，經典計算機也可以很快計算出這兩個數字因子的乘積，在這種線性問題上，量子計算機并沒有比經典計算機快多少。
但反過來，給你這個“乘積”，要計算是由哪兩個因子相乘，只要這個大數不是偶數，那么經典計算機要反過來計算這個乘積會由哪兩個數相乘，就會計算得比較慢，數字越大越難。
但是量子計算機就不一樣，量子計算機可以輕易的計算出任意一個大數的因子。因為量子計算機可以一次性把所有可能性計算出來，而不像經典計算機得一次次去把所有可能性計算一遍。
量子計算機本身就是基于量子疊加態去進行量子計算，所以在這種可能性問題上，有巨大的優勢。
量子計算機的快，也是主要快在這個地方上。
而這些“概率、可能性、隨機”領域的問題，恰好就是材料、制藥等領域最容易被卡瓶頸的地方。
比如說量子計算機可以很輕易的模擬出，某種未知材料的各種可能性，去做數量級極大的模擬運算。
而經典計算機在做這類計算時，是非常耗時，速度跟量子計算機比起來就跟烏龜一樣慢。
所以才會出現開頭說的，九章計算機只要運算200秒，現在最快超級計算機就得計算6億年的情況出現。
不過量子計算機雖然具備在某些領域碾壓經典計算機的能力。
但量子計算機也不是完全沒有缺陷的。
除了量子計算機在線性問題上，并不具備太大優勢之外。
量子計算機最大的問題，在于不夠穩定。
量子計算機是基于量子疊加態去計算的，而通過我昨天的文章，大家應該知道，量子疊加態是非常不穩定的狀態。
只要稍微被“測量”到，量子疊加態就會馬上坍縮，只留下一個結果。
也就是假如一個量子比特被測量到，那么這個量子比特就會坍縮為0或者1，變成了經典比特。
假如有一組量子比特，經過長時間計算出海量數據后，結果稍有風吹草動，這些量子比特就會坍縮為一組固定數據，原本海量的數據就會大部分都在坍縮中消失，也就是我昨天文章里也提到過的“信息消失”。
而且量子計算機還有一個很嚴重的問題是，很難簡單把計算結果給輸出來。
經典計算機，算出什么結果，可以馬上輸出。
但量子計算機就不行，因為量子計算機的計算結果是存儲于疊加態狀態。
一旦我們對這個結果進行測量，整個量子疊加態就會瞬間坍縮，從而把正確結果給湮滅了。
所以量子計算機的計算過程會出現大量錯誤比例，基本都是由“比特錯誤和相位錯誤”構成。
但這個問題，可以通過一些算法和機制來解決。
比如說下圖這樣的，大家不用看懂不明覺厲就行，像我也是看不懂。
簡單說，就是為了解決量子出錯的問題，需要不斷進行量子糾錯。
因此，用量子計算機進行計算，需要要把同一個計算重復上萬遍，然后再把這上萬個具體的 0 或者 1 統計一遍，才能重新得出正確的運算結果。
除了需要量子糾錯的難題之外，量子計算機還在制造難度上存在比較大的瓶頸。
由于量子比特這種量子疊加態是非常敏感，所以對其進行操作要非常非常的精確小心，否則量子比特瞬間坍縮給你看。
九章量子計算機的設計師是這么形容量子計算機的操作難度：“我們需要50路光子同時通過20多米的光層，每一路都要保持25納米的精度，這相當于你讓50匹馬一起跑過100公里，必須同時到達，每匹馬的誤差，不能超過一根頭發絲。”
所以量子計算機是一個高度精密的體系，量子比特越多，這個操作難度也是指數級增加。
現在九章量子計算機是用了76個量子比特，而如果要實現通用型量子計算機，起碼得上千萬個量子比特。
至少目前的科技水平，還是遠遠達不到這個制作水平和操作水平，還有相當遙遠的距離。
目前量子計算機的技術路線其實還沒有固定，有至少20種不同的量子計算機方案。
我們這次采用的是光子作為量子比特的量子計算機，除此之外還有通過小型超導電路制造的超導量子計算機。
而微軟比較熱衷的是拓撲量子計算機。
除此之外，還有電磁場控制帶電離子的離子阱量子計算機。
簡單說就是，量子比特的構建方式不同，就形成不同的量子計算機。
除此之外，無處不在的宇宙射線，也極大制約了量子計算機的穩定性，因為宇宙射線也很容易對量子疊加態產生“測量”，導致量子比特坍縮。
不過雖然存在這些問題，但量子計算機仍然是人類突破下一代技術革命的關鍵技術。
而且量子計算機也不是一定要往通用計算機的方向去制造，也就是并不需要完全取代經典計算機。
量子計算機的優勢還是在于并行計算，去計算那些“可能、概率、隨機”的問題，而這些問題恰恰就是我們經典計算機最不擅長，導致我們在材料、制藥、數學領域是長期卡在瓶頸。
而量子計算機的出現，可以作為專用機，幫我們在這些至關重要的領域取得突破。
比如像材料學領域一旦突破，不管是新能源汽車（電池），還是可控核聚變，都會有巨大的飛躍。
包括像人工智能領域，也是急需要量子計算機來突破。
所以，即使我們不能很快把量子計算機變成通用型計算機，但我們也可以先把量子計算機發展成專門處理這些概率可能性問題的專用機，單單這樣，就可以給人類科技水平帶來突破瓶頸的效果。
這也是為什么，當前我們和美國要在量子計算機領域投入這么多去研發。
因為這是人類下一次科技革命的關鍵點。
而目前我國是已經在這條關鍵賽道上，在起跑階段取得了領先。
但長路漫漫，未來的征程還很漫長，還需要我們的科學家和科研人員加油。
路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。
今天文章寫完，發現又寫了1萬字，連續兩天萬字長文，我感覺自己的大腦都在燃燒。
還望大家看完文章后，能夠多多分享轉發文章，謝謝大家支持。
本文來源于“大白話時事”公眾號
責任編輯：向太陽
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