按动按钮，让小球落下，经过翻转挡板的数次弹跳，通过各种障碍，最终落到底部的出球口中。弹球机作为一种机械与电子的奇妙结合体，以其独特的魅力和无尽的乐趣，俘获了无数玩家的心。
科学家们从弹球机的障碍中汲取灵感，提出了更加简洁的模型：高尔顿板（Galton board）。高尔顿板由弗朗西斯·高尔顿发明，用以验证中心极限定理。从漏斗形上口掉落的小球会遇上一系列排列成三角形的“钉子”。每当小球从正上方下落到一个“钉子”上时，它总是会有50%的概率跑到左边，50%的概率跑到右边。在经过数次这样随机的“左右选择”之后，小球掉落到下方的格子中。
▲高尔顿板演示模型
什么是量子优越性？
高尔顿板问题也被量子物理学家用以解释量子计算机的量子优越性。2010年，美国麻省理工大学的计算机科学家阿伦森（Aaronson）和阿尔希波夫（Arkhipov）提出了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。他们发现，这个问题传统的计算机就搞不定。
▲在这种量子光学系统中看，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。
在“玻色采样”问题中，由于量子自身的存在波粒二象性、不可区分性、多光子干涉、采样时波函数坍缩等多种复杂特性，导致用传统计算机解决这个问题采样的时间会非常长。例如，如果一共由N个光子参与实验，传统计算机的采样时间就会呈N2×2N的规律增加。
如果光子的数量达到50个，在传统计算机看来，计算量就会增加到三百亿亿次！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”。
量子计算机vs经典计算机，谁才是赢家？
量子计算机的量子优越性充分展示了量子计算机相对于经典计算机的优势。那么，量子计算机在未来会取代经典计算机吗？
很遗憾，这个答案是否定的。实际上，量子计算机在目前并不能完全取代经典计算机，因为量子计算机的量子优越性只能在特定问题下有所体现。
量子优越性：量子设备可以执行任何已有的（或可预见的）经典设备都无法在合理时间内执行的计算任务，且不管这个任务是否具有任何用途。
现阶段的量子优越性实验，更像是一种演示，通过特定问题，展示量子计算机在计算方面的优势。为了展现量子优越性，专家们精心设计了一些特定的问题，它们非常适合量子计算设备发挥其计算潜力，同时对量子比特操控的要求不高，包括“随机线路采样”，“玻色采样”等方案。
下一期“十万个量子为什么”专栏，我们将进一步介绍已有量子计算机的不同技术路线，以及他们相对经典计算机的优势。
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