前段時間，美國國際商用機器公司（IBM）推出了53量子比特的量子計算機，並計劃向外部用戶開放使用。谷歌公司則發表論文稱，成功讓量子系統花費約200秒完成了傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。量子計算機的發展引發人們越來越多的關注。

　　與主宰宏觀世界的經典力學不同，微觀世界遵循量子力學原理。微觀粒子有一些有趣的現象，第一個現象是疊加態。在宏觀世界中一個物體在某一個時刻隻能處於一種狀態，比如一個人在一個時刻隻能處於一個地方。但在微觀世界中，一個粒子可以同時處於兩種不同的狀態中，好比一個人在同一個時刻可以既在北京又在巴黎。這種疊加態在宏觀世界不可想象，但在微觀世界裡，科學家反復觀察到了同一個粒子處於兩種截然不同狀態中的現象。更有趣的是，如果對這個粒子進行操作，會對它同時所處的兩個狀態都有影響，好比發出“舉手”的指令時，在北京的這個人會舉手，同時在巴黎的他也會舉手。

　　第二個是觀察和測量。在微觀世界，對同一物體同一狀態用相同方法測量，每次測量的結果可能都會不一樣，也就是說結果不確定。更麻煩的是，測量之后被觀測物的狀態會發生改變。

　　第三個是量子糾纏，是發生在兩個或更多個物體上的一種特殊狀態，在這種狀態下，多個物體彼此“分不開”，一個變化另一個就變化。比如，微觀疊加態下，一群人既在北京又在巴黎開會，而且如果測量了其中一個人的位置是在北京，那麼所有人都在北京了﹔如果測量的那個人的位置是在巴黎，那麼所有人又都在巴黎了。在微觀世界，物質呈現的性質與人們日常生活的直覺完全不一樣。這些在微觀世界中的新奇現象被精確的實驗反復驗証。

　　我們接著再來看看計算。計算可以理解為，有一個輸入，也有一個指定的輸出，中間環節是計算的過程。不同的計算問題難度不一樣，比如兩個數字相乘並不難。反過來，把一個大的數字分解成兩個數字，難度就大大增加了。人們能想出來的大數分解算法都有很高的復雜度，以至於人們認為也許大數分解這個計算問題本質上就很難。計算困難成為了現代密碼學的基礎，廣泛應用於互聯網和電子商務等領域。1994年，貝爾實驗室的科學家肖爾發現，使用量子計算機可以讓大數分解變得很快。經典計算機很久都算不出來的數字，量子計算機很快就能解決。數字越長，這種優勢就越明顯。這將對現有的密碼學造成很大影響。

　　現在已經發展出了很多量子算法。大體而言，量子算法利用了疊加態帶來的天然的並行計算能力，利用不同的路徑可以一起工作的優勢，同時克服量子計算隻能進行旋轉變換、測量的不確定性和破壞性等困難。需要指出的是，在一些計算問題上，量子計算並沒有優勢，或者優勢非常有限。所以，對哪些計算問題有優勢，優勢有多大，如何利用這個優勢，是量子計算的根本性問題。

　　量子計算被視為加速人類計算能力的重要入口。量子算法在數論、線性代數、組合、優化、量子系統模擬、化學等方面展現出了越來越多的優勢。另一方面，量子算法需要在量子計算機上運行。近20年，量子計算機在多個方向上均取得了穩步的進展。這些量子科學理論和軟硬件領域的突破進展，會給雲計算、人工智能、藥物、材料研發等多個關鍵領域帶來顛覆性革新。比如，用更快的人工智能算法，以及通過雲的方式提供更快的計算，可以加速藥物分子的研發和新材料的設計。量子計算會大大改變人類認識自然尤其是微觀世界的方式，產生深遠的影響。

　　（作者為騰訊量子實驗室負責人  張勝譽）  

　　《 人民日報 》（ 2020年02月12日 17 版）

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