量子計算機

比超算還要快的計算機

在我們傳統計算機中計算能力最強的要數超級計算機了。像美國頂點計算機和中國申威太湖之光超級計算機，這些超算的計算能力是普通計算機無法匹敵的。

但是這只是傳統計算機，量子計算機計算能力更恐怖。其實量子計算機已經出現，比如少量軍用性質和商用品性質的量子計算機。IBM已經建立了一臺有效的量子計算機，2019年3月12日， IBM發佈了量子性能的“摩爾定律”。D-Wave 2000Q量子計算機也是已經投入使用的量子計算機。

量子計算機到底是什麼

量子計算機到底是什麼呢？其實，量子物理學（這是直譯，英文為Quantum Physics，我國稱為量子力學）是用來描繪原子和其他基本粒子的行為特性，比如電子和光子這兩種粒子。

因此，量子計算機是通過控制這些粒子的行為特性來進行科學計算的。事實上，這與我們傳統計算機的運算方式截然不同，量子計算機的計算能力是傳統計算機甚至超級計算機都望塵莫及的。

根據目前狀況來看，量子處理器將會是今後計算機科學運算的發展方向。但是對於我們還在玩酷睿i9、i7、銳龍處理器的小玩家來說，似乎是天方夜譚。

到底量子處理器和傳統的處理器到底又有什麼不同呢？量子力學到底怎樣影響中央處理器的性能？這些東西到底能給我們帶來什麼好處，又會給傳統計算機的科學計算帶來怎樣質的飛躍？

量子計算的實際原理

有別於傳統計算機的比特位

傳統的處理器使用的是晶體管制造二進制碼，稱為“bits（比特）”，它是用我們熟悉的0和1來表示。而量子處理器用的是原子大小的元件，比如單獨的電子，它的一個基本單位叫做“量子位”。量子位特殊之處在於，既可以表示0或1，又可以同時表示0和1，這樣一來就可以疊加，算法大大翻倍。

“自旋向上”和“自旋向下”的兩種狀態

工程師利用極端的低溫和磁場，以此來操控電子內部天然的極性，並使電子的方向和人工製造的磁場方向對齊，這種穩定態叫做“自旋向下”；相對地，反方面叫做“自旋向上”的狀態。

量子世界的複雜和不確定性

實際上，這樣想其實低估了量子現象的複雜程度，量子處理器中的電子會被外力破壞其穩定性。

因為量子力學中有一種叫做“量子疊加態”的現象，在電子被觀察的前一瞬間，它其實做無規則運動，會同時向著所有方向移動（因為量子力學中的一些規律和原理，我們不可能同時準確的測量電子的位置和動量），其實上面提到量子位既可以表示0或1，又可以表示0和1，就是量子疊加一種。

確定“自旋向上”和“自旋向下”

那麼，我們是如何確定電子到底怎麼才能算出“自旋向下”和“自旋向下”的兩個狀態呢。實際上，工程師們首先確定電子的自旋信息。然後，他們運用概率來計算電子在指示方向旋轉的可能性，並從每種情況中推導出兩個數據，以此作為處理器的兩個“輸出”。

舉個例子吧，我們可能受到70%自旋向上和30%自旋向下的輸出，或者如你所見，同時有0和1的輸出。

量子計算機的優勢和實際用途

這種概率般的測量，再加上電子自身的特性，使得量子處理器相對於傳統處理器有兩個主要優勢。

1、用作高速多線程處理器

電子旋轉的速度和方向不能確定，所以它們能以極快的速度做不可估量的計算，用來做一些複雜繁瑣的計算，非常有用，這就是所謂用作高速多線程處理器。

2、計算能力指數上升

量子處理器的每個量子位都有兩個測量數據，而不像傳統的晶體管一樣，每一位只對應一個比特。因此，量子處理器的計算能力是呈指數上升的。

換句話說，一個量子位有兩個基本位，這個基本位又可以分支成兩個基本位，這樣一直裂變下去呈指數增長。當你“僅僅”擁有500個量子位的時候，可能產生的處理單元比已知宇宙中的原子還多。

量子計算機的實際用途

由於量子計算機以上兩個特性，量子計算機有著驚人的計算能力。因此在複雜程度高、多層次的運算中非常實用。

民用領域，比如天氣預報、金融領域的複雜運算、交通部車輛流量預測等。

科學探索和研究，比如材料模擬研究、機器學習、蒙特卡羅模擬等。

國防與軍事領域，比如國防系統驗證和規劃、國家實驗室開發和驗證尖端科技。世界上最大的國防承包商之一洛克希德馬丁公司就是量子計算機公司D-Wave的第一個客戶。

日常計算仍然是傳統CPU的天下

量子計算機雖然有著驚人的算力，但由於分離、操縱、量化，一個電子和它的自旋非常困難。只有做複雜度高，多層級的任務時候才有優勢，因為只有這樣計算機才能充分利用量子處理器的疊加計算能力。那麼對於運算常規算法的PC遊戲和設計等傳統的運算，傳統處理器仍然是老大 。