“光子芯片不会被卡脖，外国不再有先发优势！”今年夏天，量子计算、量子芯片吸足了人们的眼球。

从六月底的中国量子计算机“祖冲之”打破量子霸权，到七月上旬世界人工智能大会上首次出现量子相关的分论坛，有行业人士在大会期间疾呼：“我们正处在计算能力真正爆发的前夜，通用量子计算机的时代正在到来。”

先不谈量子霸权或量子优越性是什么，首先，量子究竟是什么？

这个问题可以说困扰着一代又一代的物理学家们，爱因斯坦1905年提出光量子假说；玻尔1913年提出他的原子结构论；德布罗意1923年提出相波……但量子理论的先驱们此后都为量子的离奇的特性困扰不已，有关量子的种种问题，即便是今天从事量子前沿领域研究的科学家也无法给出具体答案。

量子论的奠基人之一玻尔（Niels Bohr）曾说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

当然，这些让人头疼的问题就留给科学家继续挠头去，对于我们普通人来说，我们只关心量子计算的时代到底真的像不少从业者说的那样，马上就要到来了么？

令普通人产生疑惑的最主要原因，就是当下讨论“量子霸权”这种高深的经过层层包装的概念太多，而谈论最基础信息从而让大家更了解量子计算机真实“功能”的又太少。

什么是经典计算机、什么是量子计算机、为何量子计算如此重要？只有弄清了这些问题，才知道近年来不管是政府、科研机构、高校，还是各公司、投资机构关注量子计算的原因，以及量子计算机实现和具体应用的难点。

自1946年第一台电脑发明至今，人类社会一直追求着更快、更强的计算机性能用来处理海量数据，但如今经典计算机的摩尔定律迭代已逐渐跟不上人类对算力的追求了。

经典计算机的运行机制大家或许都有耳闻，即为经典的冯·诺依曼架构，传统计算机是通过集成电路中电路的通断来实现0、1之间的区分。传统冯·诺依曼计算机体系结构的存储程序方式造成了系统对存储器的依赖，CPU 访问存储器的速度制约了系统运行的速度，更具体一点，芯片的性能（包括但不仅仅是晶体管数量的多少）决定着计算机的运算速度。

然而，如今芯片先进制程面临着巨大的难题——量子隧穿效应带来的漏电流。该原理已涉及到量子力学相关理论，可以简单理解为当材料逼近1nm的物理极限时，有一定的电子可以跨过势垒，从而漏电。这个问题对于人类来说暂时是无解的，因为物理理论还没有搞清楚这个现象。

如今，一些科研机构和实验室中已实现2nm芯片的技术路线，但继续走下去无疑需要前沿物理理论的再次突破，这不是短时间能攻克的问题，因此，在人类基础理论没有突破性进展的情况下，未来更具想象性的量子计算来了。

无法战胜它便加入它，不少科研人员选择拥抱量子的特性，使用粒子的特殊量子特性来进行计算，一扇新世界的大门也就此展开。如何利用量子的特性来运算呢？为确保准确，这里引用我国量子光学的泰斗级人物郭光灿院士的表述。

“量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个 N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2^N个可能数据当中的任一个，若它是量子存储器，则它可以同时存储2^N个数，而且随着 N的增加，其存储信息的能力将指数上升，例如，一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能存储的数达2^250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。

由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2^N次操作，或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。”

用更直观的比喻来说就是，如果要走出一个迷宫，传统计算机就像一个永不停歇的小人儿，在岔路做出选择，一条道走到黑，走到头发现错了再回头重走；而超级计算机也是这个小人，只不过移速更快，效率更高，但本质还是一条道走到黑；而量子计算机则完全不同，它的小人是会影分身的小人，每走到一个路口，无需做出选择，可以自动分出一个自我同时走，这样的结果就是效率以指数级提升。

至于为何量子计算机的小人可以同时走不同的路，背后的原理没人知道，但科学家们把一个量子比特既是0又是1的这种现象称之为量子的叠加态，其衍化出来的著名实验有薛定谔的猫以及平行时空平行宇宙的假设。

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0108/1389.html

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