量子計算機(jī)的原型機(jī)。 據(jù)新華社

請你一定要耐心地讀完這個開頭——

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，成功構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)。

這臺由中國科學(xué)家團(tuán)隊自主研發(fā)的10比特（注：信息量單位，二進(jìn)制數(shù)的一位包含的信息=1比特 ）超導(dǎo)量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測量。

我知道的，你快要原地爆炸了。我馬上寫大家都看得懂的“白話文”：

中國科學(xué)家發(fā)明了一臺很厲害的計算機(jī)——橫向和世界上別的同類計算機(jī)比，它勝一籌；縱向和歷史上的計算機(jī)比，計算能力讓前輩望塵莫及。

這臺計算機(jī)長什么樣，到底牛到哪個程度？

我們特別邀請浙江省海創(chuàng)科技交流研究院專家、量子貓科學(xué)館創(chuàng)始人李志峰老師來為大家作科學(xué)解讀。

李老師曾在奧地利維也納大學(xué)理論物理就讀博士，與浙江東陽籍的潘建偉是師兄弟。

傳統(tǒng)計算機(jī)好比兩指彈琴

量子計算機(jī)就是千手觀音彈琴

Q：量子做的計算機(jī)，量子是什么？在哪兒呢？

量子是一個能量的最小單位，所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

這個世界本身都是由微觀粒子組成的。所以某種意義上講，我們這個世界就是由量子組成的。

人類可都是24K純量子產(chǎn)品。“噗”，大家呼一口氣，那就是上萬億量子的進(jìn)出。

到本世紀(jì)初，在人們的周圍隨處可見直接或間接運(yùn)用量子理論的技術(shù)和裝置：從常見的CD唱片機(jī)到龐大的現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)，從無水涂料到激光制動車閘，從醫(yī)院的磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術(shù)已經(jīng)滲透到人們的生活中。

Q：中國這臺量子計算機(jī)，是世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)，它比前輩牛在哪里？

早期經(jīng)典的計算機(jī)是二進(jìn)制的。意思是說，它們只能用“0”和“1”，來記錄所有的信息狀態(tài)，每一步能做到的只有2的一次方——2次運(yùn)算。

量子計算機(jī)，由量子狀態(tài)來描述信息，它們擁有更快速的運(yùn)算方式。

比如，2個量子態(tài)（也可以稱作“2個比特”）的量子計算機(jī)，每一步可做到2的2次方——也就是4次運(yùn)算。3個比特的量子計算機(jī)，每一步可以對信息做到2的3次方——8次計算。

中國科學(xué)家現(xiàn)在能把量子計算機(jī)做到什么水平呢？

中國的量子計算機(jī)有10個比特。也就是說，這臺量子計算機(jī)，每一步可做2的10次方，也就是1024次運(yùn)算。

舉個例子，如果傳統(tǒng)計算機(jī)，好比兩個手指戳戳鋼琴鍵，那么中國的這臺量子計算機(jī)就相當(dāng)于是千手觀音彈鋼琴，有1024個手指，在同時操作。

這樣彈出來的樂曲是不是要豐富、流暢得多？

中國量子計算機(jī)的首次實(shí)驗(yàn)測試，也證明了它的速度優(yōu)勢——不僅比國際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬倍。同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(jī)(TRADIC)運(yùn)行速度快10-100倍。

全世界都在攻關(guān)量子計算機(jī)

為什么這么難制造

Q：這臺量子計算機(jī)已經(jīng)成型了嗎？

目前這臺機(jī)器還處于原始狀態(tài)，是一臺只有元器件和光學(xué)儀器的原型機(jī)。大小大約占3平方米不到。

Q：3平方米也不小了，量子計算機(jī)以后可以出筆記本電腦嗎？

如果做到更加實(shí)用化，比如將核心元件壓縮成CPU，量子計算機(jī)體積也可以大幅縮小。

Q：對于量子計算機(jī)能夠容納多少個光量子，世界上的幾個團(tuán)隊一直在暗暗較勁。

2015年，谷歌、NASA（美國航天航空局）和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。

今年上半年，谷歌也曾宣布要發(fā)布10比特的量子計算機(jī)，結(jié)果被中國科學(xué)家團(tuán)隊超車。

接下去，大家還要繼續(xù)1個比特挨著1個比特地“咬”，以至于達(dá)到“量子霸權(quán)”。

為什么大家都在緊咬這個研究，“量子霸權(quán)”到底牛在哪里？

“量子霸權(quán)”是加州理工學(xué)院物理學(xué)家John　Preskill發(fā)明的名詞。

通俗來講就是：目前的超級計算機(jī)系統(tǒng)，能完成5到20個量子比特的量子計算機(jī)所做的事情。但達(dá)到約50個量子比特之后，量子計算機(jī)的能力將一騎絕塵，超級計算機(jī)只能望“量子”興嘆。

50比特的量子計算機(jī)，一步就能進(jìn)行2的50次方運(yùn)算，等于1125899906842000，即一千萬億次計算，已經(jīng)達(dá)到全球排名第五、中國天河一號超級計算機(jī)現(xiàn)在的計算能力。

如果真的到了那一天，現(xiàn)在的電子計算機(jī)就相當(dāng)于以前的算盤，顯得笨重又古老了。

Q：為什么光量子的量越多，量子計算機(jī)越難制造？

量子計算機(jī)中的量子，必須處于彼此糾纏的狀態(tài)中才能工作。而光量子數(shù)量越多，糾纏狀態(tài)的穩(wěn)定性就越差。

Q：潘建偉團(tuán)隊是怎么把量子糾纏起來的？

在-220℃以下的降溫超導(dǎo)環(huán)境中，作糾纏。糾纏速度很快的，“嗖”的一記，10個量子就糾纏在一起了。

量子計算機(jī)會帶來哪些改變

至少天氣預(yù)報會更準(zhǔn)確

Q：潘建偉團(tuán)隊在2016年發(fā)射了世界首顆量子衛(wèi)星“墨子號”。量子衛(wèi)星的一項實(shí)驗(yàn)，就是驗(yàn)證量子保密通信。量子糾纏而成的密碼，具有不可復(fù)制性和絕對安全性。一旦有人竊取密碼，整個通信信息就會“自毀”并告知使用者。

那么量子計算機(jī)的發(fā)明，有一項重要的功能就是解密，那么潘教授的“矛”——量子計算機(jī)，會不會破解他發(fā)明的“盾”——量子密鑰呢？

不能，量子密鑰不可被破解。

但是量子計算機(jī)有能力高效破解其他方式形成的通訊方式。當(dāng)然，量子計算機(jī)有更多別的用途。

比如，“知乎”上最熱門的問題之一——天氣預(yù)報為什么總是不準(zhǔn)？

因?yàn)殛P(guān)乎天氣變化的因素實(shí)在是太多了。海洋、云層、風(fēng)……連地球另外一端的蝴蝶拍拍翅膀，都有可能影響這一頭的天氣。而目前的計算機(jī)系統(tǒng)，還搞不定那么多因素的計算。但是換成量子計算機(jī)，未來就可以突破這個難題，它的運(yùn)算能力能讓氣象預(yù)報更爭氣