編者按 近期，關(guān)于谷歌研發(fā)的量子芯片Willow的計算能力，引發(fā)全網(wǎng)討論，甚至有網(wǎng)友說“遇事不決，量子力學”。看似調(diào)侃的背后，實際是公眾看到了量子計算的巨大潛力。量子計算為何如此神通廣大？它距離實際應用還有多遠……圍繞這些話題，本報邀請權(quán)威專家解讀，推出系列文章，以饗讀者。
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最近，量子計算領(lǐng)域可謂喜事連連。上周谷歌剛宣稱量子芯片Willow首次實現(xiàn)“低于閾（yù）值”的量子糾錯，本周由中國科學家研制的105個量子比特的“祖沖之三號”超導量子計算機在arXiv線上發(fā)表了，從實驗數(shù)據(jù)來看，Willow性能應與“祖沖之三號”內(nèi)置處理器相當。
目前，最為我們熟悉的還是經(jīng)典計算機。然而，經(jīng)典計算機的發(fā)展正接近物理極限，我們亟須一種全新的計算范式來突破“摩爾定律”限制。作為一項前沿技術(shù)，量子計算正引領(lǐng)著這場革命性的探索。
什么是量子計算
量子計算是一種基于量子力學原理的新型計算模式，基本原理是利用量子信息單元（即量子比特）的量子疊加和量子糾纏等量子力學現(xiàn)象進行計算，為傳統(tǒng)計算方式帶來了變革。
與傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機相比，量子計算機在理論模型上是用量子力學規(guī)律來重新詮釋的通用計算機。雖然量子計算機只能解決經(jīng)典計算機所能解決的問題，但由于量子力學疊加性的存在，它在處理某些問題時速度要遠快于經(jīng)典計算機。比如在量子搜索算法中，量子比特可以同時搜索數(shù)據(jù)庫中的多個條目，大大加速了搜索過程。
量子計算的應用領(lǐng)域廣泛，包括人工智能、生物醫(yī)學、金融等多個領(lǐng)域。在生物醫(yī)學領(lǐng)域，量子計算可用于基因測序和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測等，為藥物設(shè)計和疾病治療提供更為精準的信息。在金融領(lǐng)域，量子計算能夠快速處理大量的交易數(shù)據(jù)，提高交易效率，常用于風險評估和資產(chǎn)管理等。
與經(jīng)典計算有何不同
從信息存儲角度看，經(jīng)典計算基于經(jīng)典物理學，信息以二進制的比特存儲，每個比特就像一個普通的開關(guān)，非“0”即“1”。而量子計算中的量子比特處于疊加態(tài)，兩個量子比特可同時代表4種狀態(tài)，更像是一個神奇的開關(guān)，隨著量子比特數(shù)量增多，它表示的狀態(tài)數(shù)量呈指數(shù)級增長，為處理海量信息提供了可能。
更形象地說，傳統(tǒng)開關(guān)控制的燈要么開要么關(guān)，而量子比特所控制的燈既能開關(guān)，還可實現(xiàn)不同“亮度”或“強度”的調(diào)整，這種同時處理多維信息的神奇能力，極大地提升了計算速度。
量子糾纏也是量子計算中的關(guān)鍵現(xiàn)象。處于糾纏態(tài)的多個量子比特，其狀態(tài)變化會瞬間影響到其他糾纏量子比特的狀態(tài)。這種特性為量子計算實現(xiàn)高效的信息傳遞和協(xié)同計算提供了有力支撐，使得量子計算能夠突破傳統(tǒng)計算的限制，完成一些在經(jīng)典計算框架下幾乎無法完成的任務(wù)。
經(jīng)典計算沒有疊加和糾纏特性，量子計算則不同，在同一時刻可處理多種信息。比如，你想要在一個大迷宮中找到出口，如果借助經(jīng)典計算機，它會逐個嘗試不同的路徑，直到找到出口。而量子計算機可同時走遍迷宮的所有路徑，更快速找到出口，這種能力全面碾壓經(jīng)典計算機。
此外，從計算方式來講，經(jīng)典計算基于確定性邏輯運算，在相同初始條件下結(jié)果可預測。量子計算則具有概率性，結(jié)果需通過測量獲取。量子計算利用干涉效應，增強正確答案出現(xiàn)的概率，經(jīng)多次測量統(tǒng)計，分析得出較準確結(jié)果。在處理大規(guī)模復雜數(shù)據(jù)集和任務(wù)時，量子計算的適應性和高效性更強。
總之，量子計算與經(jīng)典計算在信息存儲、計算能力、糾纏特性及計算方式上差異顯著，這些差異不僅展現(xiàn)了兩種計算模式的本質(zhì)區(qū)別，更凸顯了量子計算在未來科技領(lǐng)域的巨大潛力。量子計算將開創(chuàng)全新的計算時代。
（作者系中國科學院計算技術(shù)研究所工程師）
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