量子计算机的优势和建设挑战

Posted 2022-07-04 Garvin Li

1.为什么需要量子计算机

目前大家日常使用的计算机都是经典计算机，经典计算机计算性能的发展遵循摩尔定律，在价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

也就是说经典计算机的计算性能与电路版上的晶体管数量正相关，这就会产生一个问题，如果板子上的晶体管越来越多，会造成散热问题，而且随着晶体管越来越小，总有一天计算性能会成为瓶颈。于是人们开始探索新的计算机理论模型，有光子计算机、量子计算机方面的探索。目前看量子计算机是一个理论上证明在算力上有机会大幅超越经典计算机的技术方向。

2.经典计算机的散热问题

首先我们看下为什么经典计算机会遇到发热的问题。这个问题的本质不是晶体管太多，挤到一起产生热量。计算机是由0和1代表所有信息含义，通常用1代表“真”，0代表“假”。在计算机计算的时候，包含三种基础逻辑运算符“与、或、非”。

在逻辑运算中或造成信息的可逆和不可逆问题，比如把两个bit的1输入与门，结果还是1，减少了一个bit的信息，这叫不可逆。比如把一个bit的1输入非门，结果是一个bit的0，0再输入非门，变成1一个bit的1，这个就叫可逆的。于是就有一名科学家叫做朗道，他提出一个观点，每消失一个bit的信息，就至少会产生ktln2的热量。也就是说，随着不可逆操作的增加，一定会产生越来越多的热量。

3.量子计算机解决不可逆问题并提升并行计算效率

经典计算机大部分逻辑运算都是不可逆的，如果想改变散热问题，最好的方案就是将不可逆操作替换成可逆操作。量子力学提供了这个问题的一种解决方案，因为量子具有一种特殊的性质，他的每一个bit，俗称qbit，既能表示1，也能表示0。这种性质既解决了信息减少的散热问题，也大大提升了并行化计算效率。如何提升并行化效率呢？举个例子，经典计算机要想表示“100”，需要将“100”转换成2进制，变成“1100100”，如果在集成电路上通过晶体管通不通电来表示一个bit，需要7个bit来表示100。而在量子力学里。因为每个bit即是1也是0，那么同样7个bit，可以表示2的7次方个数。相同资源下，量子计算机的信息量是经典计算机的2的n次方倍，n是bit个数。

4.量子计算机两大难点（缺算法、不稳定）

以上是量子计算机的理论佐证，已经证实了可以指数级别提升计算性能，接下来就是实现方案了。可以通过电子自旋代表每个量子bit，不观测的时候就是叠加态（即表示0也表示1），观测的时候就是确定的数。解决bit表示的问题后，还要解决算法问题，因为目前行业内所有的算法都是基于经典计算机bit设计，在量子bit上没有算法，所以就需要一个算法可以将经典计算机的逻辑迁移到量子计算机上。于是有个叫彼得.秀尔的科学家发明了一个算法，可以用量子计算机解决大数质因数分解问题。

大数质因数分解问题一直是密码学里防止暴力破解的经典方案，RSA方案，300位数的质因数分解所需计算量是目前最好的计算机连续计算几万年才能实现。秀尔发明的算法可以让这个问题通过量子计算解决，而且仅需要分钟级。RSA是目前很多领域，包括银行系统也在使用的加密方案，如果能通过量子计算技术解决RSA加密，将对社会产生巨大的影响。

另外，因为量子的不稳定性，也称退相干，就是说量子叠加态在一定时间后会消失，变成固定状态，这样就与经典计算机相同了，为了解决量子退相干问题，已经发展了一系列的解决方案，理论上证实了量子计算的可行性。

5.量子计算机发展趋势

既然量子计算这么重要，各国都在加大相关领域的投入。目前的技术能力只能构建十几个量子bit的计算机，还不能构成对经典计算机的颠覆，后续整体技术还需要突破，实现更多量子比特的计算机。整体技术的成熟可能还需要几年到几十年的积累。