虚妄中发展的量子计算机与量子霸权

• 2021-12-24
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“遇事不决，量子力学”。自从2019年9月Google发布了一份研究报告，声称在53量子比特的量子计算机上运行随机量子线路采样任务并与模拟超级计算机的计算进行对比，最终得出量子计算机已经实现量子霸权的结论。随后量子霸权这个词火遍了全世界，但什么是量子霸权，有必要用大白话解释清楚。

量子有奇妙的特性，它可以同时处于两种状态，这种现象叫做叠加态，用较直观的例子来解释，在双缝干涉实验当中，如果一个光子一个光子地发射，双缝后面的显示屏上会出现干涉条纹，这就说明，一个光子必须同时通过了两条缝，自己和自己发生了干涉。很奇妙不是吗？按常理思维，光子应该只通过一条缝才对，但实验结果却偏偏不是这样，这一现象已经被无数的实验反复验证所证实。基于此，就引出了量子计算。

量子计算的基础概念叫量子比特。比特即bit，是计算机领域中的“位”，一个比特可以有两种取值，0或者1。在经典物理中，可以用高电平表示1，低电平表示0，这是现代电子计算机的基础。在电子计算机中，一个bit，要么取0，要么取1，同一时刻只能取其中的一个值。但是，量子比特则不同，就像前面的双缝实验，如果通过左缝为0，通过右缝为1，同时通过两条缝，那就是同时为0和1。这就是量子比特的独特之处。

量子力学还有个基础理论要讲清楚，在低能的四维时空中，叠加态是不可能被同时观测到的，因为违反能量守恒定律。所以单次观测只能观测到一个表象。但是我们通过统计学的规律可以取推测其背后的全貌。简而言之，就是观测产生结果，而不是观测影响结果。

于是有人这么推理，一个8位的经典比特，它可以表示2^8 = 256情况中的一种。而一个8位的量子比特，可以同时表示256种情况。换用量子计算领域的专业术语来描述是这样的：每一个量子比特都与一个基向量相关联，所以向量空间是256维的。如果我们有N个量子比特，那么就有2N个基向量，空间将是2^N维的。

为什么会有量子霸权的提法呢？假设量子计算机上有72个量子比特，那么基向量的数目就是2^72，这大约是4,000,000,000,000,000,000,000，一个很大的数字，且被认为是在经典计算机无法模拟量子计算机的点附近。一旦量子计算机拥有超过72个量子比特，就将进入量子霸权的时代，届时量子计算机可以进行任何经典计算机都无法进行的计算。

事实果真如此吗？尽管N个量子比特能够同时表示2^{N种情况，但这只是在不进行观测情况下的理论解释。一旦对这些量子进行观测，那么她们就会塌缩成2}N种情况中的一种。此时就等同于经典比特。由于这个原因，量子计算采用的方法，叫做采样，采样的原理，就是通过大量的实验，估计出某种情况发生的概率，其数学基础是大数定律。比如国产的“九章”量子计算机，它设计了一个复杂的光路，任何一个输入口的光子，都按照一定的概率落到一个输出口当中，概率是多少，由物理光路决定。所以，每当把量子计算机制造出来时，概率也就确定了，不再是能表示2^N种情况。

最近两三年，我们经常能从媒体报道上看到新发明的某量子计算机比世界最快的超算快100万亿倍。其实这个现象在手机领域也是如此，卢伟冰讽刺某品牌的自吹，说“宣布个销量冠军还一堆定语，只要定语加的够多，人人都可以是第一。”如果某一天，你要用量子计算机打印个Hello, World，它会回答：“我打印Hello是有概率的，打不打得出来要看天意”。