最强大脑原来是它

你是否想过这样的情景：某一天，当你要查看天气预报时，发现它能精确地显示恶劣天气会在何时何地出现，提前预测极端天气。或者当你要出门，你可以输入整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划，算出最优路径，彻底告别交通拥堵……

所有上述情景，都可以借助一台拥有“最强大脑”的量子计算机得以实现。大幅缩短提取用户所需信息的时间、在几天内解决传统计算机花费数百万年才能处理的数据，量子计算机的应用前景令人十分神往。

日前，谷歌宣布量子计算机D-Wave 2X的运行速度达到了传统芯片的1亿倍，谷歌称已证明其量子计算机确实可执行数学计算。那么量子计算机到底为何物呢？南方日报记者采访相关专家，为您揭开它的神秘面纱。

1.超强运算

量子计算机使用量子位元或者量子比特作为运算符号，可以同时代表0和1两个运算符，这种机制赋予量子计算机超强的运算能力

正如电影《异次元骇客》中演绎的那般，在科技发达的时代，科学家们可以通过强大的计算机虚拟出一个城市，虚拟城市中的科学家又虚拟出一个空间。

事实上，完成此项工程并非易事。一个人类个体本身所具有的全部特点，加之外部环境、大气变化等，涉及难以估量的庞大数据，通用计算机将很难实现完全模拟，这时，便需要量子计算机来完成。

量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

1920年，奥地利人埃尔温·薛定谔、爱因斯坦、德国人海森伯格和狄拉克，共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学，为人类未来的第四次工业革命打下了基础。

以往，所有的计算机体系都是基于冯诺依曼式的组织结构，其运行速度的增长已经明显放缓，对于大规模数据的分析计算效率也很难再提高。量子计算的提出，则是旨在专门为复杂问题的求解设计一种全新的计算机体系，即所谓的量子计算机。

时至1982年，颇有远见的美国著名物理物学家理查德·费曼在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。1985年，英国物理学家大卫·杜斯提出了量子图灵机模型。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。

这时，量子计算机的概念适时出现了。与经典计算机不同的是，量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

传统计算机采用二进制，只在0和1两个运算符号中切换，然而量子计算机使用量子位元或者量子比特作为运算符号，可以同时代表0和1两个运算符，这种机制赋予量子计算机超强的运算能力。

现象一下，你被要求5分钟内在美国国会图书馆某一本书的某页上找到一个字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。

2.应用广泛

除了地球气候模拟、基因研究，量子计算机在破译密码、量子系统模拟、测量星体精确坐标、精确控制机器人等工作上也将有突出贡献

日前，谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展：在两次测试中,D-Wave 2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片快1亿倍。基于体系结构发生了变化，量子计算机将采用全新的算法，这使得大规模数据的计算与存储不再成为难题。

业界人士认为，量子计算机的巨大突破将为云计算和大数据处理乃至整个计算机科学领域带来一场变革。

据悉，作为“大数据时代的超级大脑”，量子计算机将在地球气候模拟、基因研究、自然灾害预报等“高、精、尖”的前沿领域有突破性进展，已成为世界各国竞相争夺的科技战略制高点。

例如，现在的天气预报大多是基于探测数据的推测，很难保证准确。但量子计算机可以一次分析所有数据，向我们提供更好的模型，精准地显示恶劣天气会在何时何地出现。我们可以提前预测飓风等极端天气，从而预留足够的时间拯救生命。

也就是说，量子计算机可以帮助我们实时地掌握自己附近地区的天气情况，不再感叹“六月的天，孩子的脸”或者“东边日出西边雨”了。

而每天出行GPS可以帮你优化出最佳线路，但如果有了量子计算机，我们可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全都输入进去，让它计算出最优解，从而让人们彻底告别交通拥堵。

除了地球气候模拟、基因研究，量子计算机在破译密码、量子系统模拟、测量星体精确坐标、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度、高浮点运算的工作上也将有突出贡献。

此外，量子计算机还可以用来做量子系统的模拟，人们一旦有了量子模拟计算机，就无需求解薛定谔方程式或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子体系的特征。量子计算机还可以测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度、高浮点运算的工作。

而即将到来的大数据时代，更是对人类的数据驾驭能力提出了全新的挑战，运用量子计算机解决大数据时代的重大问题迫在眉睫。

南方日报记者了解到，在量子信息科学领域，中科院潘建伟院士正带领他的团队以一连串创新性科研成果，确立世界领跑者的地位。

“量子通信在原理上是无条件安全的通信。目前想要解决国家信息安全，只有通过量子。”潘建伟在接受记者采访时表示，2013年，在国家发改委支持下，中科院联合相关部门启动了千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。

3.突破难题

既然量子计算机已经研制成功，那为什么还没有普及？因为，它的运行要符合三个条件：真空环境、绝对零度和磁场保护

2015年7月30日，“中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室”正式成立。其中，阿里巴巴与中科院的合作主要集中在量子通信和量子计算两个领域，前者主要致力于数据通信安全，后者则专攻数据运算范畴。

根据联合实验室的研究计划：预计到2025年，量子模拟将达到当今世界最快的超级计算机的水平，初步应用于一些目前无法解决的重大科技难题；到2030年，研制具有50—100个量子比特的通用量子计算原型机，突破大规模量子计算机的芯片工艺，从物理层设计、制造到算法运行实现自主研发，全面实现通用量子计算功能，并应用于大数据处理等重大实际问题。

既然量子计算机已经研制成功，那为什么还没有普及？因为，它的运行要符合三个条件：真空环境、绝对零度和磁场保护。

量子力学是研究微观尺度的科学，要想控制计算机的量子位，其实就是需要操纵单个原子，因此条件非常苛刻。原子在常温下的速度高达数百米每秒，只有让原子保持在极低的温度状态，才能受控制。所以量子计算机D-Wave 2X处理器温度一直稳定在-273℃，只比宇宙绝对零度高0.015℃而已。

除此之外，量子计算机还要放到比地球磁场弱50000倍（基本相当于没有磁场）、大气压比地球小100亿倍（基本相当于真空）的环境中，以保持量子态的稳定。

除了对环境要求严格，量子计算机在实际落地推广方面也会遇到一些障碍。由于量子计算机的计算方法完全不同，因此编程的方式也完全不同并且更加复杂。这意味着，对于程序员来说，要掌握一套比现有算法更为复杂的编程方式。

事实上，尽管实现对微观量子态的操纵确实太困难，实现这些应用还有很长的路要走，但这并不妨碍人们进行大胆的探索与设想，也许不久的将来，量子计算机就会出现在我们的生活中。（记者 曹嫒嫒）

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