編者按 近期，關于谷歌研發的量子芯片Willow的計算能力，引發全網討論，甚至有網友說“遇事不決，量子力學”。看似調侃的背后，實際是公眾看到了量子計算的巨大潛力。量子計算為何如此神通廣大？它距離實際應用還有多遠……圍繞這些話題，本報邀請權威專家解讀，推出系列文章，以饗讀者。
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最近，量子計算領域可謂喜事連連。上周谷歌剛宣稱量子芯片Willow首次實現“低于閾（yù）值”的量子糾錯，本周由中國科學家研制的105個量子比特的“祖沖之三號”超導量子計算機在arXiv線上發表了，從實驗數據來看，Willow性能應與“祖沖之三號”內置處理器相當。
目前，最為我們熟悉的還是經典計算機。然而，經典計算機的發展正接近物理極限，我們亟須一種全新的計算范式來突破“摩爾定律”限制。作為一項前沿技術，量子計算正引領著這場革命性的探索。
什么是量子計算
量子計算是一種基于量子力學原理的新型計算模式，基本原理是利用量子信息單元（即量子比特）的量子疊加和量子糾纏等量子力學現象進行計算，為傳統計算方式帶來了變革。
與傳統的經典計算機相比，量子計算機在理論模型上是用量子力學規律來重新詮釋的通用計算機。雖然量子計算機只能解決經典計算機所能解決的問題，但由于量子力學疊加性的存在，它在處理某些問題時速度要遠快于經典計算機。比如在量子搜索算法中，量子比特可以同時搜索數據庫中的多個條目，大大加速了搜索過程。
量子計算的應用領域廣泛，包括人工智能、生物醫學、金融等多個領域。在生物醫學領域，量子計算可用于基因測序和蛋白質結構預測等，為藥物設計和疾病治療提供更為精準的信息。在金融領域，量子計算能夠快速處理大量的交易數據，提高交易效率，常用于風險評估和資產管理等。
與經典計算有何不同
從信息存儲角度看，經典計算基于經典物理學，信息以二進制的比特存儲，每個比特就像一個普通的開關，非“0”即“1”。而量子計算中的量子比特處于疊加態，兩個量子比特可同時代表4種狀態，更像是一個神奇的開關，隨著量子比特數量增多，它表示的狀態數量呈指數級增長，為處理海量信息提供了可能。
更形象地說，傳統開關控制的燈要么開要么關，而量子比特所控制的燈既能開關，還可實現不同“亮度”或“強度”的調整，這種同時處理多維信息的神奇能力，極大地提升了計算速度。
量子糾纏也是量子計算中的關鍵現象。處于糾纏態的多個量子比特，其狀態變化會瞬間影響到其他糾纏量子比特的狀態。這種特性為量子計算實現高效的信息傳遞和協同計算提供了有力支撐，使得量子計算能夠突破傳統計算的限制，完成一些在經典計算框架下幾乎無法完成的任務。
經典計算沒有疊加和糾纏特性，量子計算則不同，在同一時刻可處理多種信息。比如，你想要在一個大迷宮中找到出口，如果借助經典計算機，它會逐個嘗試不同的路徑，直到找到出口。而量子計算機可同時走遍迷宮的所有路徑，更快速找到出口，這種能力全面碾壓經典計算機。
此外，從計算方式來講，經典計算基于確定性邏輯運算，在相同初始條件下結果可預測。量子計算則具有概率性，結果需通過測量獲取。量子計算利用干涉效應，增強正確答案出現的概率，經多次測量統計，分析得出較準確結果。在處理大規模復雜數據集和任務時，量子計算的適應性和高效性更強。
總之，量子計算與經典計算在信息存儲、計算能力、糾纏特性及計算方式上差異顯著，這些差異不僅展現了兩種計算模式的本質區別，更凸顯了量子計算在未來科技領域的巨大潛力。量子計算將開創全新的計算時代。
（作者系中國科學院計算技術研究所工程師）
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