專家說法|李陽：量子計算到底是什麼意思？
2022-06-22 13:02 作者：李陽 來源：丹麥技術大學 閱覽：
近年來，量子計算（Quantum Computing）領域頻頻傳來重要進展；量子計算已成為引發激烈角逐的科技前沿項目之一，相關競爭有愈演愈烈之勢。那麼，量子計算到底是什麼意思？下面就簡要談談這一問題。
量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子資訊單元進行計算的新型計算模式。對照于傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；通用的量子計算機，其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。1982年，美國著名物理學家理查德·費曼先生提出了量子計算的概念，並指出以量子力學為基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超經典計算機的能力優勢。這一概念提出後，引起了計算機領域的廣泛關注，並在90年代先後誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為後來量子計算技術發展奠定了重要的理論基礎。
量子計算的主要原理就是利用了量子態的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本資訊處理單元，具有0和1兩種邏輯態，且在經典計算模式只能處於0或1的一種，而量子比特卻能夠處於0和1的疊加態。換言之，每個經典存儲器僅能存儲0或1其中一個，而量子存儲器卻能同時存儲0和1。因此，當計算機有n個存儲器時，經典計算模式每操作一次只能變化一個數據，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數據，量子計算的數據處理能力是經典模式的2^n倍。當n足夠大時，量子計算的優勢將十分明顯。
從可計算的問題來看，量子計算機只能解決經典計算機（即傳統的電子計算機）所能解決的問題，但是從計算的效率上，由於量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。量子力學態疊加原理使得量子資訊單元的狀態可以處於多種可能性的疊加狀態，從而導致量子資訊處理從效率上相比于經典資訊處理具有更大潛力。因此，量子計算領域近期異常熱鬧，許多科研機構都已進軍該領域。
2020年，美國谷歌公司研究人員藉助量子計算機，首次成功模擬了一個化學反應。他們表示，儘管這一反應很簡單，但卻是量子計算機走向實用化的重要一步。量子計算機模擬化學分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術的公司也在研究，微軟就是其中一員；該公司曾經發表過一篇文章，用量子計算幫助化學家尋找催化劑，將二氧化碳轉化為甲醛，展示了量子計算與化學結合的應用前景。未來可以將這種算法擴大規模，來模擬更複雜的反應。而要模擬更大分子的反應，還需要更多的量子比特。
日本資訊通信技術公司（ICT）富士通最近宣布已成功開發出世界上速度最快的模擬量子計算機，包含36個量子位，可以實現相當于其他量子模擬器的兩倍性能；藉助軟硬體的高速性能，這一模擬量子計算機未來將成為發展量子計算應用的重要橋梁。另外，富士通還開發了一種新方法，根據量子電路的進度和計算結果，重新排列分布式記憶體中的量子位狀態，有助於降低通信成本。富士通的目標是利用新型模擬量子計算機，為其用戶推動量子應用的發展，並解決社會面臨的一系列問題。
丹麥技術大學的一個研究團隊日前首次使用量子計算機進行了電網計算：使用五種不同的專用量子計算機，應用HHL算法並研究了當前噪聲量子硬體對AC潮流算法的準確性、速度的影響力。研究人員在具有真實量子計算機的3總線（3-bus）和5總線（5-bus）系統上執行了相同的研究，以確定與這些算法的可擴展性相關挑戰和開放研究問題。潮流問題背後的新算法需要新的工具，這是當今超級計算機無法完成的，因此他們才決定利用量子計算機去開拓更多的可能性。
量子計算分為通用量子計算和專用量子計算兩類，前者具有通用性能夠解決各類計算難題，後者則是專門針對某類計算難題。目前，科研學術主要集中於專用量子計算領域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用於先進武器設計和雷達開發測試等領域。中國著名學者周海中先生曾經說過：計算不僅是數學的基礎技能，而且是整個科學的基本工具。毫無疑問，作為一種計算工具，量子計算將在各學科領域發揮越來越重要的作用。
（作者為丹麥技術大學資訊技術和數學建模系教授）
量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子資訊單元進行計算的新型計算模式。對照于傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；通用的量子計算機，其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。1982年，美國著名物理學家理查德·費曼先生提出了量子計算的概念，並指出以量子力學為基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超經典計算機的能力優勢。這一概念提出後，引起了計算機領域的廣泛關注，並在90年代先後誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為後來量子計算技術發展奠定了重要的理論基礎。
量子計算的主要原理就是利用了量子態的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本資訊處理單元，具有0和1兩種邏輯態，且在經典計算模式只能處於0或1的一種，而量子比特卻能夠處於0和1的疊加態。換言之，每個經典存儲器僅能存儲0或1其中一個，而量子存儲器卻能同時存儲0和1。因此，當計算機有n個存儲器時，經典計算模式每操作一次只能變化一個數據，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數據，量子計算的數據處理能力是經典模式的2^n倍。當n足夠大時，量子計算的優勢將十分明顯。
從可計算的問題來看，量子計算機只能解決經典計算機（即傳統的電子計算機）所能解決的問題，但是從計算的效率上，由於量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。量子力學態疊加原理使得量子資訊單元的狀態可以處於多種可能性的疊加狀態，從而導致量子資訊處理從效率上相比于經典資訊處理具有更大潛力。因此，量子計算領域近期異常熱鬧，許多科研機構都已進軍該領域。
2020年，美國谷歌公司研究人員藉助量子計算機，首次成功模擬了一個化學反應。他們表示，儘管這一反應很簡單，但卻是量子計算機走向實用化的重要一步。量子計算機模擬化學分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術的公司也在研究，微軟就是其中一員；該公司曾經發表過一篇文章，用量子計算幫助化學家尋找催化劑，將二氧化碳轉化為甲醛，展示了量子計算與化學結合的應用前景。未來可以將這種算法擴大規模，來模擬更複雜的反應。而要模擬更大分子的反應，還需要更多的量子比特。
日本資訊通信技術公司（ICT）富士通最近宣布已成功開發出世界上速度最快的模擬量子計算機，包含36個量子位，可以實現相當于其他量子模擬器的兩倍性能；藉助軟硬體的高速性能，這一模擬量子計算機未來將成為發展量子計算應用的重要橋梁。另外，富士通還開發了一種新方法，根據量子電路的進度和計算結果，重新排列分布式記憶體中的量子位狀態，有助於降低通信成本。富士通的目標是利用新型模擬量子計算機，為其用戶推動量子應用的發展，並解決社會面臨的一系列問題。
丹麥技術大學的一個研究團隊日前首次使用量子計算機進行了電網計算：使用五種不同的專用量子計算機，應用HHL算法並研究了當前噪聲量子硬體對AC潮流算法的準確性、速度的影響力。研究人員在具有真實量子計算機的3總線（3-bus）和5總線（5-bus）系統上執行了相同的研究，以確定與這些算法的可擴展性相關挑戰和開放研究問題。潮流問題背後的新算法需要新的工具，這是當今超級計算機無法完成的，因此他們才決定利用量子計算機去開拓更多的可能性。
量子計算分為通用量子計算和專用量子計算兩類，前者具有通用性能夠解決各類計算難題，後者則是專門針對某類計算難題。目前，科研學術主要集中於專用量子計算領域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用於先進武器設計和雷達開發測試等領域。中國著名學者周海中先生曾經說過：計算不僅是數學的基礎技能，而且是整個科學的基本工具。毫無疑問，作為一種計算工具，量子計算將在各學科領域發揮越來越重要的作用。
（作者為丹麥技術大學資訊技術和數學建模系教授）
