【用量子計算機探索自然】前段時間 ， 美國國際商用機器公司（IBM）推出了53量子比特的量子計算機 ， 并計劃向外部用戶開放使用 。 谷歌公司則發表論文稱 ， 成功讓量子系統花費約200秒完成了傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務 。 量子計算機的發展引發人們越來越多的關注 。
與主宰宏觀世界的經典力學不同 ， 微觀世界遵循量子力學原理 。 微觀粒子有一些有趣的現象 ， 第一個現象是疊加態 。 在宏觀世界中一個物體在某一個時刻只能處于一種狀態 ， 比如一個人在一個時刻只能處于一個地方 。 但在微觀世界中 ， 一個粒子可以同時處于兩種不同的狀態中 ， 好比一個人在同一個時刻可以既在北京又在巴黎 。 這種疊加態在宏觀世界不可想象 ， 但在微觀世界里 ， 科學家反復觀察到了同一個粒子處于兩種截然不同狀態中的現象 。 更有趣的是 ， 如果對這個粒子進行操作 ， 會對它同時所處的兩個狀態都有影響 ， 好比發出“舉手”的指令時 ， 在北京的這個人會舉手 ， 同時在巴黎的他也會舉手 。 第二個是觀察和測量 。 在微觀世界 ， 對同一物體同一狀態用相同方法測量 ， 每次測量的結果可能都會不一樣 ， 也就是說結果不確定 。 更麻煩的是 ， 測量之后被觀測物的狀態會發生改變 。 第三個是量子糾纏 ， 是發生在兩個或更多個物體上的一種特殊狀態 ， 在這種狀態下 ， 多個物體彼此“分不開” ， 一個變化另一個就變化 。 比如 ， 微觀疊加態下 ， 一群人既在北京又在巴黎開會 ， 而且如果測量了其中一個人的位置是在北京 ， 那么所有人都在北京了；如果測量的那個人的位置是在巴黎 ， 那么所有人又都在巴黎了 。 在微觀世界 ， 物質呈現的性質與人們日常生活的直覺完全不一樣 。 這些在微觀世界中的新奇現象被精確的實驗反復驗證 。 我們接著再來看看計算 。 計算可以理解為 ， 有一個輸入 ， 也有一個指定的輸出 ， 中間環節是計算的過程 。 不同的計算問題難度不一樣 ， 比如兩個數字相乘并不難 。 反過來 ， 把一個大的數字分解成兩個數字 ， 難度就大大增加了 。 人們能想出來的大數分解算法都有很高的復雜度 ， 以至于人們認為也許大數分解這個計算問題本質上就很難 。 計算困難成為了現代密碼學的基礎 ， 廣泛應用于互聯網和電子商務等領域 。 1994年 ， 貝爾實驗室的科學家肖爾發現 ， 使用量子計算機可以讓大數分解變得很快 。 經典計算機很久都算不出來的數字 ， 量子計算機很快就能解決 。 數字越長 ， 這種優勢就越明顯 。 這將對現有的密碼學造成很大影響 。 現在已經發展出了很多量子算法 。 大體而言 ， 量子算法利用了疊加態帶來的天然的并行計算能力 ， 利用不同的路徑可以一起工作的優勢 ， 同時克服量子計算只能進行旋轉變換、測量的不確定性和破壞性等困難 。 需要指出的是 ， 在一些計算問題上 ， 量子計算并沒有優勢 ， 或者優勢非常有限 。 所以 ， 對哪些計算問題有優勢 ， 優勢有多大 ， 如何利用這個優勢 ， 是量子計算的根本性問題 。 量子計算被視為加速人類計算能力的重要入口 。 量子算法在數論、線性代數、組合、優化、量子系統模擬、化學等方面展現出了越來越多的優勢 。 另一方面 ， 量子算法需要在量子計算機上運行 。 近20年 ， 量子計算機在多個方向上均取得了穩步的進展 。 這些量子科學理論和軟硬件領域的突破進展 ， 會給云計算、人工智能、藥物、材料研發等多個關鍵領域帶來顛覆性革新 。 比如 ， 用更快的人工智能算法 ， 以及通過云的方式提供更快的計算 ， 可以加速藥物分子的研發和新材料的設計 。 量子計算會大大改變人類認識自然尤其是微觀世界的方式 ， 產生深遠的影響 。 （作者為騰訊量子實驗室負責人） 《 人民日報 》（ 2020年02月12日 17 版）
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