撰文 | 恰比（Sheldon）

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绘制 | 鉴赏（Sheldon）

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►图片来源：Sheldon

阿基米德说过：“给我一根杠杆，我能撬动地球”

那么问题来了：为了承受地球的重量，这根杠杆得多粗多长？

同样的道理，在计算机科学家眼中，给他一台传统计算机，就能对一切任务进行运算。只不过有些任务比较复杂，运算时间有点儿长。

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所以，从实践的角度讲，传统计算机不是无所不能的。在执行某些特殊任务时，它是“无能为力”的。比如：在2010年，MIT的计算机科学家阿伦森和阿尔希波夫提出，在一种类似于高尔顿板的量子光学系统中，进行“玻色采样”的任务，传统计算机就搞不定。

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在这种量子光学系统中，光子就相当于弹珠，多光子干涉仪相当于钉板，单光子探测器负责查看光子从哪个口子跑出来。

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玻色采样看似是个普通问题，可一旦牵扯到量子力学，很多违反直觉的“幺蛾子”突然就冒出来了！

幺蛾子一：波粒二象性

在量子力学中，光子既是一种粒子，又是一种波。一束波遇到障碍之后，既会透射，又会反射，所以，光子遇到分束器时，既会透射，又会反射，会同时从两侧跑出来。

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幺蛾子二：不可区分性

两个光子的情况就更复杂了。两个光子可能完全一样，你根本区分不了谁是谁。

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幺蛾子三：多光子干涉

在同时经过分束器的时候，光子的"分身"们，有可能会相互叠加，也有可能会相互抵消，最终结果很难一句话说明白。

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幺蛾子四：采样时波函数坍缩

当光子遇到出口的探测器时，就会突然收起波动性，展现出最初的粒子性。一开始有两个光子进来，最后只能让两个光子出去，其余的“分身们”都必须消失，这就是量子力学中的波函数坍缩。

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总之，玻色采样，就是N光子跑进去，随机从其中N个出口跑出来的过程。这个过程全部归量子力学管。

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阿伦森和阿尔希波夫证明，用传统计算机解决这个量子问题，采样的时间会非常长。

如果一共有N个光子参与实验，传统计算机的采样时间，就会呈N²×2^N的规律增加，比直接做玻色采样实验慢得多。

而如果量子光学实验设计得合理，肯定比传统计算机的速度快。

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所以，这个实验装置本身，可以称之为一种光量子计算机。而它“计算”的内容，正是对输出光子的分布进行采样。

如果光子的数量达到50个，在传统计算机看来，计算量就会增加到3百亿亿次！即使你用上目前的超级计算机，都不可能很快完成一次玻色采样，只能直接在装置上做实验。这就是一种“量子优越性”。

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实验装置说起来容易，但实现起来却十分困难。比如，怎样才能干净利落地

产生单个光子？怎样让产生的光子不可区分？怎样才能降低玻色采样的损耗？

“量子ENIAC”

2017年5月，这些难题被中科大潘建伟、陆朝阳研究组攻克了。

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如果利用这个装置，对三个光子进行玻色采样，采集一个样本只需要0.2毫秒。跟国际上其他同行类似的实验相比，这个速度快了24000倍。

同样的任务，如果由世界上第一台传统计算机ENIAC通过计算完成，则至少需要44毫秒。可以说，在这个特定的任务上，量子计算机获得了胜利。

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不过，目前这个装置，只尝试了5个光子的实验。若想秒杀超级计算机，还需要50个光子的实验，科学家们还需要努力。而且，玻色采样装置，只能做玻色采样，无法执行其他计算任务，是一种非通用的量子计算机。

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不过，造出玻色采样装置，也为制造通用量子计算机扫清了重要的技术障碍。因为高品质单光子源、高效率干涉仪等，都是它通用的最核心部件。

除了光学装置之外，科学家还借助了很多手段，尝试实现量子计算。例如离子阱、核磁共振、量子点、核自旋和超导等等。

10个量子比特的量子纠缠

2017年3月，朱晓波、王浩华和陆朝阳、潘建伟合作，利用超导的方法，制作了一个量子处理器，还让10个量子比特形成了量子纠缠。

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在这个超导量子处理器中，电磁波有两种能量不同状态。一种状态表示比特0，一种状态表示比特1。 

根据量子力学的原理，超导电路可以处于既是0又是1的叠加状态，这就是传说中的量子比特。

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量子计算机的优势是：当它有N个量子比特时，由于状态相互叠加，它最多可以同时处理2^N个状态！

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不过，量子比特越多，制造难度就越大。在此之前，科学家在超导量子计算中，只能完全操控9个量子比特。而在这个超导量子处理器中，中国科学家做到了让10个量子比特形成了最大程度的纠缠态。

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一个计算机的运算过程，就是操纵比特的过程。让10个量子比特产生纠缠，说明中国科学家能够完全操控这10个量子比特。

这两个量子计算机的成果，让中国科学家们在通向更高级的量子计算的路上，迈出了重要的不可或缺的一步。在未来，要想用上实用的量子计算机，我们还有很多路要走。

期待那一天早日到来！