如何一眼看清量子计算的“含金量”？认准真·纠缠！

以下文章来源于墨子沙龙 ，作者墨子沙龙

墨子沙龙.

墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。

量子计算和量子计算机，是科学界和企业界的大热门，五花八门的新闻标题和成果展示，让人眼花缭乱。

挖掘机，哦不，量子计算机技术到底哪家强？

今天，就让我们以超导量子计算为例，教大家“五分钟看清量子计算含金量”。

为什么选超导量子计算机？换个角度，为什么谷歌“悬铃木”，“祖冲之号”还有IBM的量子计算机都是超导计算机？那是因为超导量子计算机具有可扩展性、稳定性等优点，被认为是目前实现大规模量子计算的最有希望的技术路径之一。也就是说，因为有比较稳定的工程技术支持，科学家可以更快的在这个领域发展技术，再进一步推动工程的发展。

不过这并不代表光量子计算，离子阱量子计算就没有研究前景，作为量子计算的不同赛道，他们都将展现不同的实力。

第一台计算机诞生虽然只有不到百年，但它凭借强大的计算能力成为推动人类文明飞速发展的重要工具。以前的理论物理学家可以在火车上推算完一个重要理论，现在他们离开计算机就很难做到了，我们的日常生活也早已离不开它。说到底，计算的本质是信息的改变和处理。我们输入一些东西，最后电脑输出给我们一些东西。信息发生了改变，计算就发生了。而强大的计算功能，离不开算法和算力。

算法（Algorithm）是指解题方案的准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。

算力（Computility）是计算机设备或计算/数据中心处理信息的能力，是计算机硬件和软件配合共同执行某种计算需求的能力。

也就是说，计算机要知道怎么算这个问题，还能很快的算出来，这个计算机对我们而言才是有意义的。经典计算和量子计算系出同源，都是遵循图灵机原则的计算机。经典计算机的CPU由晶体管组成，用电流表达0和1；超导量子计算机用的则是超导材料中的电子形成的超导态。在算法中，“门”是一个非常重要的概念，无论是经典计算还是超导量子计算都有“门”。最简单的门是“非门”：我们输入一个0，输出一个1。还有“与非门”和其它的各种门，在超导量子计算机中，门是以量子比特为基础构成的，有单量子比特门和双量子比特门等。而超导量子计算机的算力靠的就是量子比特之间的纠缠了。相互纠缠的量子数越多，量子芯片（QPU）的计算能力就越强。如果说量子芯片是一块土地，量子比特就是一座座建筑物（职能部门）。量子纠缠就是连接量子比特之间的道路。联通越多，职能部门之间的互动就越紧密，“城市”活力就越强，“文明”也就出现了！在物理学中，我们把纠缠程度最高的称之为真多体纠缠体系——我们把一个多体系统任意划分为两部分，不论如何划分，划分后的两部分之间都存在纠缠。当然，如果在一个量子计算系统中，有两个量子比特发生了纠缠，而其他没有发生纠缠，你仍然可以宣称这是一个“纠缠体系”，但是计算能力肯定就大打折扣了。聪明的读者们，你们现在肯定知道如何分辨量子计算机的“含金量”了吧，请认准真·纠缠！当然，在真·多体纠缠系统中，还有不同的纠缠方式。比如一维簇态，就像贪吃蛇一样，从第一个“建筑”一直连接到最后一座“建筑”。这种纠缠方式相对简单，特点是纠缠的粒子数越多，对保真度的要求就更高。还有一种二维簇态，量子比特之间两两纠缠，形成了像网一样的连接方式。优点是有更多的算法选择，但是对“搭建”的要求比较高。真多体纠缠是最强形式的量子纠缠，同时，也很难实现。不仅制备难度高——需要对大规模的量子体系具有极高的操控水平，还要保证对纠缠态的验证——对于如此复杂而精微的纠缠结构，我们如何才能知道我们真的实现了真纠缠呢。所以，实现的难度很大。不过，要是因为困难就放弃，青年科学工作者们的头发不就白掉了吗？中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与北京大学袁骁合作，研发出了真纠缠制备和探测手段，演示了基于测量的量子计算，把上面几个难关一举攻克！论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06195-1

前面提到，大部分量子计算的算法是基于门实现的，量子比特们通过不同的“门”，一步步完成科学家设定的算法，得到最终结果。基于测量的量子计算就很标新立异了，“门”被撤掉，量子比特们随机塌缩，走向不同的“人生”关卡，科学家通过巧妙的设置，最终制备和验证了51量子比特的一维簇态和30量子比特的二维簇态，并且基于所制备的簇态，成功地原理性演示了基于测量的变分量子计算算法。

多项超导量子计算机的世界纪录同时被打破！

进一步了解这一工作进展，推荐阅读“墨子沙龙”科普文章《刷新量子纠缠纪录：实现51量子比特的真纠缠》。

最后，插播一个关于算法的小知识，世界上第一个程序员是一位女性——艾达·洛夫莱斯，虽然她的父亲拜伦十分有名，不过她其实是由母亲——一位显赫的贵族夫人抚养长大的。她是第一位主张计算机不只可以算数，还可以解决问题的数学家。她在笔记中详细说明了使用巴贝奇的机械分析机计算伯努利数的方法，这一算法被认为是世界上第一个计算机程序。

可惜的是，这位程序员最终因为生育造成的子宫癌英年早逝。但是她对计算机的发展做出的贡献，值得我们铭记！END更多精彩文章请点击下面“蓝字”标题查看：

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原标题：《如何一眼看清量子计算的“含金量”？认准真·纠缠！》

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