量子计算的几个问题

发布时间：2023-03-23 09:05:48 所属栏目：动态来源：

导读：随着人工智能大模型、量子计算、类脑智能、云原生、数字引擎、影视频等技术的深入发展，新技术、新模式和新业态持续涌现。针对上述领域，我们策划了一个科普系列栏目《T-chat前沿热点问答》，以十问十答的形式，用通

随着人工智能大模型、量子计算、类脑智能、云原生、数字引擎、影视频等技术的深入发展，新技术、新模式和新业态持续涌现。针对上述领域，我们策划了一个科普系列栏目《T-chat前沿热点问答》，以十问十答的形式，用通俗的语言，与大家交流最新、最热的前沿科技话题。本文是T-Chat 系列第二篇。也欢迎大家指导，并提出感兴趣的问题一起研究，持续互带认知，共同进步。

量子计算，是基于量子力学原理，通过控制一定数量的量子单元，来进行计算的一种新型计算模式。而量子计算机，正是用来实现和使用量子计算能力的计算机系统。

量子（英文：Quantum），是一个现代物理学的重要概念，被认为是组成浩瀚宇宙、世间万物最小的、不可分割的物理单位。比如太阳光，是由光子组成，而光子所携带的能量目前还不能被进一步分割，所以光子可以叫做量子。此外，电子、中微子和夸克也都可以叫做量子。而原子、离子、质子、中子等微观粒子，它们所携带的能量因条件不同而不同，所以不能简单判断是否能叫做量子。

从科技角度看，掌握量子计算技术，就掌握了未来发展的先机。2023年，我们已经身处数字世界，城市运行、产业生产以及人们的生活，都在不停地产生、处理和交换着信息。而广泛存在于智能设备、网络、服务器和云平台中的计算能力（简称“算力”），是支撑这一切最根本、最关键的能力。

目前，算力是基于我们熟知的、以CPU为核心的计算技术来实现的；而未来，量子计算技术，则是更先进、更有希望实现未来算力的下一代计算技术。量子计算技术犹如科技巅峰上的一颗璀璨明珠，备受学术界和工业界的关注。

从社会角度看，量子计算机是先进数字生产力的代表。业界公布的一些量子计算机原型机，如谷歌“悬铃木”、IBM Q System以及我国中科院的“九章”，在科研实验中逐步展现了一些算力优势：在完成特定计算任务时，能展现比超级计算机高数千倍以上的计算效率。材料、医药、金融、物流、制造等众多行业纷纷开始关注、探索与尝试。而量子计算机在信息安全、高性能计算领域的影响力，也已基本成为业界共识，引起各国高度重视。目前已有十余个国家公布量子计算相关战略，量子计算机的研发一时成为国际热点。

对于咱们老百姓，量子计算机离我们还有些远，但值得期待。虽然量子计算机的成熟应用，预计还需要数十年甚至更长的时间，但是它在一些细分场景的逐步应用，应该会在不久的将来，给我们带来一些惊喜。比如，辅助研制疑难杂症特效药、加快研发更轻便舒适的新型布料等等。当然，量子计算机作为商品走进千家万户，可能还是更遥远的事情，不过谁也无法预测技术发展与普及的速度。

这个问题的答案有些难懂，不过我们尽量以通俗的方式来讲解。如果你能耐心看完下面的叙述，并尝试弄懂它，那你就初步掌握了理解甚至预测未来数字文明趋势的密码。

最小计算元件，是计算工具可以操作（写入，存储，读取）的、表示计算数值的最小物理元件。最小计算元件的先进性，很大程度上决定了一类计算工具的计算能力上限。那么不同的计算工具的最小计算单元是怎样的呢？

为什么会有“量子体积”这个概念呢？这是业界为了更准确地描述不同技术路线的量子计算机的性能，而引入的一个与硬件无关的指标。量子体积表示了量子计算机可以成功实现的方形量子电路的最大尺寸。通俗来说，这个性能指标与量子比特的数量、量子电路最大深度、保真度、连通性、串扰等物理指标相关。通常来说，这样的量子计算机的单个量子体积越大，可以解决的问题就越复杂。

作为一个性能衡量指标，现阶段量子体积显示出了一定的科学性和通用性。但随着量子芯片工艺的飞速发展，未来可能会有更多相关的评价指标出现。如IonQ公司目前就引入了“算法量子位”的指标替代量子体积。在未来的量子计算机逐步实现的过程中，可以预见未来陆陆续续也会有更多更高性能的适应量子纠缠技术演进的评价指标可能会出现。

简单总结，量子计算机更适合计算哪些[如果用经典计算机来计算，即使用最好的算法，计算量也是非常大的一部分问题。一个形象的例子，就是“大海捞针”问题：这道题的算法很简单，就是找遍大海的每一个针可以掉落的角落。但是这道题的工作量巨大，需要搜寻整个广袤的大海，从海面到海底。类似的问题，还包括在没有索引的情况下，在一个电话簿里查找一个号码，在海量人脸中找到你的头像等等。即使如此，BQP一类问题也已经可以映射到金融投资组合优化、物流和交通优化等许多应用场景。如果量子计算机未来真正解决了这些问题，对社会的贡献也是巨大的。

值得一提的是，当前热议的ChatGPT等人工智能模型技术的研发，也可能和量子计算相关。虽然还没有确定性的答案，但量子计算有希望在模型压缩、以及训练速度和模型性能等环节，对模型的研发和提升起到积极作用，值得进一步关注。

从物理的角度看，量子计算机利用的是微观粒子的的特殊力学原理来实现计算的，所以那些同样以量子力学为基础理论的科研及实际应用问题，理论上就更加适合由量子计算机来解决。我们可以直接想到的，比如计算化学，分子模拟，新材料研发，医学药品研发等等。这些问题都是在研究和利用原子分子级别的物质特性，研制具有特殊性能的、大自然中不存在的原子或者分子结构。量子计算机很可能是未来更优先的选择。

再简单说下量子计算机不擅长的。由于量子计算机的实现原理，目前的量子计算机的研发过程中，存在一个重大的难题：噪声问题。简单来说，就是在操作量子进行计算的时候，量子本身的稳定性、量子之间相互的影响以及操控动作本身，均会产生计算任务本身不需要的干扰。而这些干扰会直接影响计算结果的准确性，甚至会造成计算中断和失败。虽然科学家在不断改进量子的退相干和纠错技术，提高计算准确的概率，但依然达不到百分之百。

当前的量子计算机还不能直接计算出一个结果，只能在一定的概率下，通过观测得到一个确定的结果。就好比让现在的量子计算机计算“1+1”，只有一定的概率可以得到2的结果，更不要说让量子计算机来计算更复杂的问题了。

虽然经典计算机也会算错，但经典芯片已经具备自动发现错误和修复的能力，因此最终可以得到准确结果。所以这一类精确的数值计算问题和逻辑判定问题，当前水平的量子计算机相比经典计算机，是不擅长的。但是，量子计算领域也在研发适合量子特性的纠错技术，量子纠错码和量子容错理论可以通过精巧的数学设计，用多个不完美的量子比特产生更为完美的量子比特，并通过特定容错量子操作，来实现更多步骤，实现更精确的计算。最终，随着采用的纠错码越来越强大，最终可以将整个计算过程的错误率控制到接近于零。这样，量子计算机就可以精准进行我们想要实现的计算了。

（编辑：汽车网）

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