用量子盘算机探索自然

前段时间，美国国际商用机械公司(IBM)推出了53量子比特的量子盘算机，并计划向外部用户开放使用。谷歌公司则揭晓论文称，乐成让量子系统花费约200秒完成了传统超级盘算秘密1万年才气完成的任务。量子盘算机的生长引发人们越来越多的关注。

与主宰宏观世界的经典力学差别，微观世界遵循量子力学原理。微观粒子有一些有趣的现象，第一个现象是叠加态。在宏观世界中一个物体在某一个时刻只能处于一种状态，好比一小我私家在一个时刻只能处于一个地方。但在微观世界中，一个粒子可以同时处于两种差别的状态中，好比一小我私家在同一个时刻可以既在北京又在巴黎。这种叠加态在宏观世界不行想象，但在微观世界里，科学家重复视察到了同一个粒子处于两种截然差别状态中的现象。更有趣的是，如果对这个粒子举行操作，会对它同时所处的两个状态都有影响，好比发出“举手”的指令时，在北京的这小我私家会举手，同时在巴黎的他也会举手。

第二个是视察和丈量。在微观世界，对同一物体同一状态用相同方法丈量，每次丈量的效果可能都市纷歧样，也就是说效果不确定。更贫苦的是，丈量之后被观察物的状态会发生改变。

第三个是量子纠缠，是发生在两个或更多个物体上的一种特殊状态，在这种状态下，多个物体相互“分不开”，一个变化另一个就变化。好比，微观叠加态下，一群人既在北京又在巴黎开会，而且如果丈量了其中一小我私家的位置是在北京，那么所有人都在北京了；如果丈量的谁人人的位置是在巴黎，那么所有人又都在巴黎了。在微观世界，物质出现的性质与人们日常生活的直觉完全纷歧样。这些在微观世界中的新奇现象被准确的实验重复验证。

我们接着再来看看盘算。盘算可以明白为，有一个输入，也有一个指定的输出，中间环节是盘算的历程。差别的盘算问题难度纷歧样，好比两个数字相乘并不难。反过来，把一个大的数字剖析成两个数字，难度就大大增加了。人们能想出来的大数剖析算法都有很高的庞大度，以至于人们认为也许大数剖析这个盘算问题本质上就很难。盘算难题成为了现代密码学的基础，广泛应用于互联网和电子商务等领域。1994年，贝尔实验室的科学家肖尔发现，使用量子盘算机可以让大数剖析变得很快。经典盘算机良久都算不出来的数字，量子盘算机很快就能解决。数字越长，这种优势就越显着。这将对现有的密码学造成很大影响。

现在已经生长出了许多量子算法。大要而言，量子算法使用了叠加态带来的天然的并行盘算能力，使用差别的路径可以一起事情的优势，同时克服量子盘算只能举行旋转变换、丈量的不确定性和破坏性等难题。需要指出的是，在一些盘算问题上，量子盘算并没有优势，或者优势很是有限。所以，对哪些盘算问题有优势，优势有多大，如何使用这个优势，是量子盘算的基础性问题。

量子盘算被视为加速人类盘算能力的重要入口。量子算法在数论、线性代数、组合、优化、量子系统模拟、化学等方面展现出了越来越多的优势。另一方面，量子算法需要在量子盘算机上运行。近20年，量子盘算机在多个偏向上均取得了稳步的希望。这些量子科学理论和软硬件领域的突破希望，会给云盘算、人工智能、药物、质料研发等多个关键领域带来颠覆性革新。好比，用更快的人工智能算法，以及通过云的方式提供更快的盘算，可以加速药物分子的研发和新质料的设计。量子盘算会大大改变人类认识自然尤其是微观世界的方式，发生深远的影响。

(作者为腾讯量子实验室卖力人 张胜誉)

《 人民日报 》( 2020年02月12日 17 版)