量子计算专栏一:量子比特是什么

发布于:2021-08-03 22:30:06

本文作者:孙裕道


作者简介:北京邮电大学网络空间安全博士


01


引言


谈到量子计算总会感觉神秘而陌生,自己第一次对量子计算有感性认识是在刘慈欣的小说《超新星纪元》里,小说设定一颗超新星爆炸导致世界12 岁以上的人全部死亡,孩子们被迫接管世界,但由于孩子们能力和经验不足,把世界搞得一团糟,于是运行在量子计算机上的超级人工智能帮助孩子们自救,它可以同时与成千上万个孩子进行通信指挥他们行动,展现出它强大的计算能力。量子计算机并不是只存在于科幻小说中,2015谷歌宣布实现了9 个超导量子比特的高精度操纵,2017年IBM在推出了20量子比特量子计算云服“IBM Q系统”,以及2018英特尔的49量子比特超导量子计算测试芯片“Tangle Lake”,中科院也将大量的研究资源投入到量子计算中。可见量子计算是一个当前很重要的一个前沿科技领域。



量子计算


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量子计算的刚需


既然电子计算机都这么好了,为什么还需要量子计算机呢?过去传统计算机运算能力的飞速发展,离不开“摩尔定律”的作用,而随着计算机中的晶体管已经小到极限并且当前对电磁规律的掌控也已经几乎到了极限,这也代表了电子计算机的能力遭遇了瓶颈。比如,2019年4月人类拍摄到的第一张黑洞照片,拍摄的数据用现在最好的电子计算机也要算两年,才能把照片“冲洗”出来。这样的计算机限制了人类探索更大的宇宙。同样的情况还发生在药物研发、生物技术、能源技术等很多领域。所以找到更好的计算机就是人类的刚需。如果说电子计算机的算力是“汽油”级别的话,那么量子计算机的算力就是“核能”级别的。这两种算力根本不是一个级别,解决问题的能力也不再是简单地在原来的基础上画一条延长线。



量子计算与经典计算


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计算的本质


所有的计算系统其实都是在操控一个物理系统去完成计算。而计算,并不一定是特指去计算数字,凡是按照需求完成输入、运算和输出的都是计算。量子计算也是一个有输入、运算和输出的物理系统,只不过它是利用了更底层的量子力学规律来进行操控。也正是因为利用了量子力学的规律,它的计算能力才会有“核武器”级的提高。


试想一下,幼儿园的小朋友是怎么计算3加4的,他会先打开左手的3根手指代表3,再打开右手的4 根手指代表4,然后,他把两只手并在一起,然后数一数,一共是7根手指,所以得出结果是7。这个过程虽然看起来很简单,但他是一个完整的计算过程,本质上跟电子计算机是一样的。只不过小朋友用手指头做硬件,电子计算机用的是各种电子电路。一只手打开3根手指另一只手打开4根手指,这是把要计算的内容输入到了“计算机”里面。然后,两只手并在一起,这就是运算的过程。最后,再把7根手指代表的数字读出来,这就是输出的过程。不论是复杂的电子计算机还是简单的手指,计算都可以看做是这样一个过程:首先输入,然后按照一定的规则处理,最后输出结果。这就是计算的本质。



以这个视角下来看,计算要依托于一个物理系统来实现,其中输入、运算和输出就是物理系统里的初态、演化和末态。以风洞测试为例,把飞机放入风洞,设置好风洞的气流,这是输入。飞机在风洞中飞行,上下起伏,按照空气动力学的规律运动,这是计算的过程。实验结束后,飞机的状态是不是符合设计,哪里有偏差,这些就是最终的计算的输出。所以计算本质上就是这个物理系统的演化过程,输入就是这个物理系统的初始状态,运算是物理系统的演化过程,输出则是演化结束的状态。


04


量子比特


首先纠正一个误区,一般会觉得电子计算机是在控制着一个一个的电子进行计算,相应的量子计算机就变成是控制更小的量子来进行计算了。其实真实情况是,电子计算是利用的是经典电磁规律操控物理系统,而量子计算是利用量子力学规律操控物理系统。


经典比特和量子比特的区别

经典比特可以表示0和1两种不同的状态,就像是一个硬币的两面要么是0要么是1,并且经过逻辑门运算之后得出的结果是0和1的一种情况,绝对不会出现既是了0又是1的情况。



经典比特


量子比特可就不同了。大学物理上一定听说过薛定谔的猫,简单的可以认为有是一只量子猫,它可以同时既处于生又处于死的状态。也就是说其实薛定谔的这只猫就可以被当做一个量子比特。这个量子比特可以既是0 又是1,两种状态同时存在。这种状态在量子力学中称作“量子叠加态”。而且不只是能让0 和1 同时存在,还可以在初始化时控制量子比特叠加态中0,1之间的占比,可以是20%的0 和80% 的1,也可以是70% 的0 和30%的1。量子计算中就是在操控量子比特,量子计算过程就是量子比特叠加态的演化过程。



量子比特


量子比特提升信息容量

提升计算能力的关键问题在于信息容量即它代表了一个计算机的信息存储能力。经典比特提升信息容量空间的方法有两种,第一种方法是追加物理资源,利用资源交换计算能力。第二种方法是把元器件越做越小,用更小的芯片存放更多的比特数。但是到了今天,摩尔定律已经到达极限而且线性增长计算能力的方法无法应付按指数规模增长的问题。量子比特增加信息容量的方法是它带来了新的编码方式。我们通过利用量子叠加态的特性,能够实现更加高级的编码方式。可以把这种编码方式叫做“量子二进制编码”。由于量子叠加性,每一个量子比特同一时刻可以处在两个不同的状态上,关键就在于这个“同时”。


举个例子,假如有两个人,一个人的10根手指是普通手指,另一个人的10根手指是量子手指。如果在他们面前只有一份苹果的话,那么不论是普通手指还是量子手指都没有差别。但是如果是两份苹果那就完全不同了,普通手指只能表示其中一份,如果还想表示另外一份,那么就必须增加资源。他就需要再叫一个人过来,用那个人的手指表示第二份苹果。这个时候量子手指就能显出它的优势来了,因为量子手指有叠加状态,所以通过编码后,它就可以同时既即表示第一份苹果的个数,又同时表示第二份苹果的个数。最厉害的是,就算是有1024份苹果摆在面前,10根量子手指也能同时表示。经典手指的话就必须找1024个人一起来才能完整表示了。n个量子比特的信息容量比n个经典比特大了2的n次方倍。整个宇宙原子的数量是2的300次方这么多,如果用量子比特表示的话,只需要300个就能数清宇宙所有的原子了。


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推荐


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