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祖冲之三号：让“计算”不走寻常路

政务 2024-12-27 17:17 安徽

近期，关于谷歌研发的量子芯片Willow的计算能力，引发全网讨论，甚至有网友说“遇事不决，量子力学”。看似调侃的背后，实际是公众看到了量子计算的巨大潜力。量子计算为何如此神通广大？它距离实际应用还有多远……围绕这些话题，本报邀请权威专家解读，推出系列文章，以飨读者。

最近，量子计算领域可谓喜事连连。上周谷歌刚宣称量子芯片Willow首次实现“低于阈（yù）值”的量子纠错，本周由中国科学家研制的105个量子比特的“祖冲之三号”超导量子计算机在arXiv线上发表了，从实验数据来看，Willow性能应与“祖冲之三号”内置处理器相当。

目前，最为我们熟悉的还是经典计算机。然而，经典计算机的发展正接近物理极限，我们亟须一种全新的计算范式来突破“摩尔定律”限制。作为一项前沿技术，量子计算正引领着这场革命性的探索。

什么是量子计算

量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算模式，基本原理是利用量子信息单元（即量子比特）的量子叠加和量子纠缠等量子力学现象进行计算，为传统计算方式带来了变革。

与传统的经典计算机相比，量子计算机在理论模型上是用量子力学规律来重新诠释的通用计算机。虽然量子计算机只能解决经典计算机所能解决的问题，但由于量子力学叠加性的存在，它在处理某些问题时速度要远快于经典计算机。比如在量子搜索算法中，量子比特可以同时搜索数据库中的多个条目，大大加速了搜索过程。

量子计算的应用领域广泛，包括人工智能、生物医学、金融等多个领域。在生物医学领域，量子计算可用于基因测序和蛋白质结构预测等，为药物设计和疾病治疗提供更为精准的信息。在金融领域，量子计算能够快速处理大量的交易数据，提高交易效率，常用于风险评估和资产管理等。

与经典计算有何不同

从信息存储角度看，经典计算基于经典物理学，信息以二进制的比特存储，每个比特就像一个普通的开关，非“0”即“1”。而量子计算中的量子比特处于叠加态，两个量子比特可同时代表4种状态，更像是一个神奇的开关，随着量子比特数量增多，它表示的状态数量呈指数级增长，为处理海量信息提供了可能。

更形象地说，传统开关控制的灯要么开要么关，而量子比特所控制的灯既能开关，还可实现不同“亮度”或“强度”的调整，这种同时处理多维信息的神奇能力，极大地提升了计算速度。

量子纠缠也是量子计算中的关键现象。处于纠缠态的多个量子比特，其状态变化会瞬间影响到其他纠缠量子比特的状态。这种特性为量子计算实现高效的信息传递和协同计算提供了有力支撑，使得量子计算能够突破传统计算的限制，完成一些在经典计算框架下几乎无法完成的任务。

经典计算没有叠加和纠缠特性，量子计算则不同，在同一时刻可处理多种信息。比如，你想要在一个大迷宫中找到出口，如果借助经典计算机，它会逐个尝试不同的路径，直到找到出口。而量子计算机可同时走遍迷宫的所有路径，更快速找到出口，这种能力全面碾压经典计算机。

此外，从计算方式来讲，经典计算基于确定性逻辑运算，在相同初始条件下结果可预测。量子计算则具有概率性，结果需通过测量获取。量子计算利用干涉效应，增强正确答案出现的概率，经多次测量统计，分析得出较准确结果。在处理大规模复杂数据集和任务时，量子计算的适应性和高效性更强。

总之，量子计算与经典计算在信息存储、计算能力、纠缠特性及计算方式上差异显著，这些差异不仅展现了两种计算模式的本质区别，更凸显了量子计算在未来科技领域的巨大潜力。量子计算将开创全新的计算时代。

来源：科普时报

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