有關量子計算的11個問題

本文根據與IBM系統技術實現室系統架構師邵鵬的音頻對話整理而成，他也被我們稱之為大中華區量子計算佈道師。

要收聽完整音頻對話節目，請訪問神馬？量子計算可以提高搭訕成功率？！│IBM超in播第二季第3期

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1、了解量子計算之前，先了解什麼是量子？

「量子」這個詞的產生有期歷史原因。在上個世紀初，物理學家們為了解釋一些在經典牛頓力學體系下所解釋不了的物理現象，而引入了能量的離散化分份的概念進行研究。「量子」最初的概念，就是這些能量的最小存在單元。但是隨著量子力學的發展，在現代的量子力學體系中，「量子」是指粒子的狀態。到目前為止，對於電子而言，科學家們已經發現了四個基本的量子狀態：軌道能級、軌道數、角動量、磁偏角。這個是對電子的量子狀態而言，而對於「光量子」而言，就是有一個電子狀態，叫「偏振方向」。所以這個是現在我們所說的「量子」的基本的概念。

2、什麼是量子計算？

我們可以先來了解一下傳統「二進位計算」的原理。在「二進位計算」中，我們是以固定的輸入「比特序列」。然後，經過CPU的計算，有一個相應的輸出序列。這樣的輸出序列在我們輸入的時候，就已經取了一個固定的值。每一個比特，要麼取值是「0」，要麼取值是「1」。這樣的話，就會有一個相應的計算結果輸出。而在量子計算裡面，由於量子的重疊態的存在。也就是說，它的輸入序列，是處於一個「不定狀態」。那麼，也就包含了所有的輸入的可能性。這樣的話，經過一個固定的計算，它的輸出結果，也就包含了所有的輸出的結果的可能性。因此它不需要像傳統計算機那樣，要經過便利的方式，才能給出所有的可能計算結果。所以量子計算的這種超級計算能力，是隨著量子比特呈指數而增長的，這是量子計算跟傳統計算有根本區別的地方。

3、為什麼量子的重疊狀態有意義？

通俗一點來說，「重疊狀態」就是所有可能狀態的組合。比如：以傳統的二進位計算機跟量子計算機比較來說：假如你輸入N個比特序列，對於二進位計算機來講，在某一個固定的時候，這「N個比特」都是固定的值，而對於量子計算來講，這「N個比特」的每一個比特都在「0」和「1」之間在變動，也就是混合的一個狀態。那麼這樣的話，它就同時包含了所有的「二的N次方」這種輸入可能。所以這種並行度，是傳統計算機通過物理的上增加線程和Core的數量來進行擴展的方式是遠遠不可比擬的。

用一個比較通俗點兒的例子來解釋就是：你跟一個三頭六臂的人打架，你要是不找幾個兄弟來幫你，你肯定干不過它。但是問題是，即便你找了幾個人來一塊兒跟他打架，你也需要事先來商量：如何去跟他打，如何去分配這些任務，協調你們之間的任務關係。但是這個三頭六臂的人，他天生的動作的協調性、一致性和效率，都是有天生的優勢，是你所不能比擬的。

4、為什麼這麼多機構在研究量子計算？因為人工智慧還是大數據？

其實無論是大數據還是人工智慧，這些都是應用層面的東西。其根本原因，還是在於量子計算機能夠提供傳統計算機所不具備的計算能力。說的稍微專業一點來講，就是傳統計算機所面臨的計算複雜性問題，在量子計算機面前都可以輕而易舉的獲得解決。

5、作為一個普通人,能夠在日常生活中體會到量子計算帶來的好處么？

這是個很有趣的問題，也是很多人最關心的問題。由於量子計算的超強的計算能力，使得量子計算對人類了解自然、改造自然的能力，也會有極大的提升。根據現在的預測，量子計算會對藥物研究、生命科學的領域，提供強大的技術支撐。對於我們普通人來講，我們可以根據個人的具體情況，提供個性化的健康狀況預測和疾病預測，以及個性化的治療方案。這些問題都將在量子面前迎刃而解。

6、有沒有一個量化的描述，說清楚傳統的計算機跟量子計算之間的巨大區別？

這裡有一個非常好的例子，就是現在大家所關心的密碼破解問題。根據現在的數學的研究，現在密級最高的1024位公鑰密碼體制，如果用當前最強大的計算機進行暴力破解的話，需要將近三百萬年的時間，雖然這是幾年前的，根據當時的計算能力的預測結果，但是現在也是需要幾百萬年的這麼一個數量級。如果我們有一個「1024比特」的量子計算機，那麼這個時間可以縮為幾天的時間。有一個科學家證明說：「大約5天的時間，就可以破解1024位的公鑰密碼體制」。所以當量子計算機的計算能力，達到這樣的一個量級的時候。那麼，首先受到衝擊的，就是世界的安全體系。所以數學家們現在正在加緊研究新的量子密碼加密體系。

7、量子計算達到商用了么？

就目前的研究成果來講，現在還沒有哪一個量子計算機達到商用。但是IBM憑藉30多年的積累，在這個領域已經取得了領先的地位。據IBM系統部高級副總裁Rosamilia先生說：「在可見的幾年之內，IBM將推出50位量子比特的量子計算機」。那麼到那個時候，我們就可以真正看得到商用的量子計算機出現了。

8、現在可以開始進行量子計算的學習了么？

可以的。IBM敏感的把握住了客戶的需求，在IBM進行量子計算機研發的同時，IBM也推出了基於一個「雲」平台的量子計算環境。各個行業的客戶，包括：大學的研究者，或者是各個公司對於量子計算感興趣的工程師，都可以通過申請賬戶到IBM的雲平台上（即IBM Q，地址為http://research.ibm.com/ibm-q/）進行量子計算的研究和一些新演算法的探索。而且，現在是完全免費的。

9、量子計算是否會影響現有的應用系統，比如說ERP、CRM等？

就我個人的經驗而言，我覺得可能還不會。這幾個系統都是比較高層的應用軟體。如果量子計算機真能達到商用的話，它的計算能力達到一定的級別。那麼，首先衝擊的將是這些金融安全體系，而不是說我們這些企業的管理軟體。它受影響的級別還比較低。

10、有可能每人擁有一台量子計算筆記本么？

以目前的狀況來看，我認為還不會。因為量子計算機現在的運行和維護環境都要求比較苛刻，不是一般用戶能夠承受得起的。所以目前的狀況來看，應該是一些大公司，像：IBM提供雲端服務。客戶使用智能終端，享受雲端服務的這種方式來使用量子計算。但是問題是我們從歷史的發展角度來看，以傳統的二進位計算機為例。比如：在五六十年代計算機剛剛發展的時候，一台計算機就有一棟大樓這麼大。那個時候我想沒有哪個工程師，能夠期望說：「我手裡能夠拿著像今天一樣這種功能強大的智能終端」。所以從歷史發展的角度來看，我堅信在將來的某一天，我們手裡應該會有基於量子的智能終端出現。那個時候的世界是一個什麼樣的世界？我不太敢想像。

11、量子計算達到商用之後，會對現在的社會造成哪些改變？

我相信量子計算達到商用以後，應該是迫切的繼續解決當前業界所解決不了的問題，也就是二進位計算機計算複雜性的問題。再具體一點的說，就是在銀行、金融、安全系統。甚至新葯的研究、新材料的研究，這些對普通生活和工業界產生巨大影響的領域，才會第一步去使用量子計算機。到那個時候人們可能在很短的時間內，就能得到關於，比如說：新葯、新材料的一些新的特性。得到驗證或做出別的嘗試，那個時候我相信我們的生活模式跟商業模式，會有極大的改變。