速度快 ， 不是量子计算的唯一优势 。 它能做完全不同的事 。 |Google
作者 | 龙浩（电子科学与技术博士）
说到量子计算 ， 我们首先想到的是 ， 它很快 。 但其实 ， 它的优势不止于此 。 因为更接近于事物本源 ， 它可以做到经典计算完全不能做到的事 ， 比如：模拟真正的微观物理、化学过程 。 毕竟我们所见的世界 ， 除了引力 ， 都被量子力学所统治 。
去年 ， 美国谷歌公司率先实现“量子优越性” ， 使用新型量子处理器运算200秒 ， 相当于目前最强计算机运算1万年 。 虽然被批浮夸 ， 论文也被撤稿 。 但最近 ， 他们又利用同款量子处理器 ， 在前所未有的水平上完成了一项化学过程的模拟 。 这一次 ， 打开了量子计算机应用的大门 。 研究发表在《科学》杂志 。
那么 ， 这项工作有什么了不起？量子处理器到底是如何工作的？它为什么能远超经典计算机？其发展还面临哪些问题呢？
论文主角 ， 谷歌研制的54位Sycamore量子计算机 | Rocco Ceselin
量子计算机 VS 经典计算机
回想经典计算机 ， 出现不过70余年 ， 其间 ， 得益于半导体工艺的进步 ， 它的体积越来越小 ， 性能越来越强大 ， 面向未来问题的超级计算机 ， 算力已达到半E级（E级：每秒百亿亿次计算） 。
计算机芯片由大量晶体管组成 。 晶体管是计算机处理数据的最基本单元 ， 它就像开关 ， 可以阻拦或允许电流通过 ， 这就产生了一个二进制的信息单元 ， 人们称它为比特（Bit） 。 若干晶体管组成逻辑单元 ， 实现与、或、非等简单的逻辑运算；大量逻辑单元组合在一起 ， 最终实现了计算机强大的运算能力 。
人们一直试图减小晶体管的尺寸 ， 以提高算力并减小功耗 。 然而 ， 当晶体管已经小到纳米量级 ， 需要解决的已不仅仅是工艺制程难题 ， 还需要关注微观尺度下特殊的物理效应：
当晶体管仅有数个原子大小时 ， 电子可能无视阻碍直接通过一个已经关闭的晶体管 。 这个令人匪夷所思的现象被称为量子隧穿效应 。 宏观上 ， 崂山道士的穿墙术被传为笑谈；而微观里 ， 电子穿“墙”却被大量研究所证实 ， 并且它的影响随着尺寸的减小而愈发显著 。
量子隧穿效应 | Techexplorist.com
面对这样的物理极限 ， 经典计算机性能遭遇瓶颈是迟早之事 ， 另辟蹊径成为必需的考量 。 量子计算概念的提出 ， 让人们看到了希望 。
在经典计算机中 ， 某时刻一个经典比特根据电平高低 ， 要么对应0 ， 要么对应1 ， 它只能处于一种状态 。 而在量子计算机中 ， 一个量子比特（Qubit）则是处于0和1以某种方式进行归一化线性组合起来的特殊状态 ， 这种状态被称为量子叠加态 。 就像薛定谔的猫：生活经验告诉我们 ， 盒子中的猫要么是死的 ， 要么是活的 ， 只是我们没有打开盒子观察而已；而量子力学却认为 ， 盒子中的猫是处于死和活的叠加态——一种超越生活经验的既死又活的特殊状态 。 直到我们打开盒子观察的那一刻 ， 这种叠加态才发生改变 ， 演变成了死或活中的一种状态 。
薛定谔的猫 | Pixabay.com
正是这种违背直觉的量子叠加态 ， 带来了计算方式的极大变革 。
对于经典计算机中的经典比特 ， 在任意时刻 ， 它要么是0 ， 要么是1 ， 只能处于这两种状态中的一种；而量子比特则不同 ， 由于量子叠加态的存在 ， 每位量子比特可以同时工作于2种状态 。 因此 ， 拓展到N位计算机 ， 量子比特可以同时工作在2×2×…×2=2^N种状态 ， 而经典比特仍然只有唯一1种状态 。 所以 ， 1台N位量子计算机和2^N台N位经典计算机的计算能力相当 ， 这就是并行计算的力量 。 并且 ， 随着量子比特位数的增加 ， 量子计算机算力还会呈现指数增长 。 300位量子比特可以处理的信息量（2^300）就已经超越了目前宇宙中已知的原子总数 。
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