計算速度驚人，你知道什麼是“量子霸權”麼？

前段時間，美國科技公司谷歌在NASA上發表了一篇論文稱，谷歌的 AI Quantum 研究小組的53量子比特處理器實現了“量子霸權”，即量子計算機可以僅用200秒的時間，完成目前最強的超級計算機需要花費10000年才能完成的計算量。那麼，量子計算機的計算速度是如何達到的呢？所謂的“量子霸權”又是什麼呢？

首先，簡單說一下傳統計算機是如何進行計算的。傳統計算機通過高電平和低電平來表示0和1，通過邏輯門實現邏輯運算。常見的邏輯門包括：“與”門、“或”門、“非”門、“異或”門等。邏輯門可以組合使用實現更為復雜的邏輯運算。以此為基礎，計算機可以實現各種數學計算。

傳統計算機的發展遵循著摩爾定律，即計算機芯片的晶體管密度每18個月翻一番，計算能力增強一倍，是一種指數增長的規律。但是近年來，隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學極限，這一定律已經放緩甚至失效。

傳統計算機中，一個比特隻能是0或者1，但是在量子世界裡，量子比特可同時處於多種態，它可以是幾種不同量子態當中的任意幾種歸一化線性組合，這種狀態就是量子疊加態，它可以同時等於0和1，隻有在被觀察的時候才會坍縮成兩種狀態中的一種。舉個簡單的例子，如果量子計算機有3個量子比特，那麼就可以說它同時工作在8種狀態中﹔如果量子計算機有4個量子比特，那麼就是同時工作在16種狀態中。所以，每增加一個量子比特，量子計算機的計算能力都是呈指數增長的。現在的超級計算機計算能力，大致相當於50個量子比特的量子計算機計算能力。

那麼，什麼是量子霸權呢？量子霸權即量子優勢，是指量子計算擁有超越所有經典計算機的計算能力。

量子計算機最強大的就是它的並行計算能力，比如在對海量數據庫進行檢索時，傳統計算機需要經過所有可能的匹配才能得到結果，而量子計算機可以節省幾個數量級的工作時間。特別在計算機安全領域，量子計算機有著非凡的意義和重要的應用，目前最普遍的加密系統，是公私鑰加密數據，是獲得了公鑰之后通過數學方法來計算私鑰，如果別人不知道私鑰，那麼破解密碼可能就需要數年的時間。但是，量子計算機驚人的計算能力，可以在很短的時間內破解密碼。

本文由北京郵電大學計算機科學與技術研究專業副教授張忠寶進行科學性把關。