量子編程I:銀彈

彷彿一夜之間,量子計算儼然成爲比肩人工智能、機器學習、數據科學等概念的一線熱詞。學術界,經過三十年積累,量子計算革命似乎近在咫尺;產業界,巨頭們火力全開,爭相搶佔量子計算新大陸;科幻作品中,量子計算機是未來世界的算力支柱;創業圈,量子計算概念是吸引投資人的一大法寶。這顆銀彈,隱隱淬鍊成型,似乎已經開始發出絢爛的光芒、準備接受宗教般的崇拜。


半個世紀以來,經典計算機算力的指數級增長給我們的社會帶來巨大的變革。算天算地算人算自己,都成爲社會的紅利。而今,經典計算機算力增長瓶頸的陰影在地平線上浮現,當前各大廠白熱化競爭的7納米工藝,已經接近摩爾定律的終點。儘管還有一些方法可以進一步榨取製造工藝的能力,比如5納米制程、多層蝕刻等等,但這些不過是逼近工藝極限,是這條技術路線散發的最後的餘輝。


人們對量子計算充滿期待,因爲快。爲什麼快?因爲量子體系的一個基本原則——量子疊加。經典計算機中,一個bit有兩種狀態,0和1,在特定時間點,這個bit是確定的,要麼是0、要麼是1。也就是說,一個經典bit在同一個時間點能表達的信息狀態是一個,是0就不能是1,是1就不能是0。如果擴展到n個經典bit,在同一個時間點能表達幾個信息狀態呢?還是一個,只不過這一個狀態的編碼序列有n位長。接下來再看量子計算機。一個量子位,稱爲一個qubit。由於量子狀態疊加效應,一個qubit,在同一個時間點,同時有兩個狀態,即是0、也是1。如果擴展到n個qubit,在同一個時間的,能夠表達的信息狀態數量急劇增長到n個2連乘,也即2的n次方個狀態,同時存在。


量子計算機簡直就是計算機界的一股泥石流。粗略的,量子計算機可以類比爲一個並行計算系統。神奇之處在於,想讓這套並行計算系統算力翻倍,不需要所有硬件成本翻倍,而只需要增加一個計算位。每增長一個qubit,量子計算機算力提升一倍。


那麼,量子計算真的是銀彈嗎。理論上,所有的經典算法都可以在量子計算機上跑。但是,只有那些運用到了量子計算機的量子狀態疊加特性的算法,才能夠在量子計算機上跑出經典計算機望塵莫及的效率。量子計算是一項充滿希望的技術,但量子計算並非無所不能。


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