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2023-2028年中國(guó)量子計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)與投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)綜合報(bào)告
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-05-21

量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算 、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)，早先由理查德·費(fèi)曼提出，一開(kāi)始是從物理現(xiàn)象的模擬而來(lái)的?？伤l(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g使資料量也變得龐大，一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字

為什么需要量子計(jì)算機(jī)？

傳統(tǒng)電能計(jì)算機(jī)能力依舊有限。隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，高速計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)，反之，待以解決的問(wèn)題也變得越來(lái)越復(fù)雜、繁瑣。對(duì)于復(fù)雜的三維物體或具有量子力學(xué)行為的物質(zhì)，對(duì)于當(dāng)前仿真計(jì)算技術(shù)仍有較大挑戰(zhàn)。

不可否認(rèn)，有時(shí)候在計(jì)算方面，計(jì)算機(jī)仍力有未逮。近年來(lái)備受關(guān)注的區(qū)塊鏈技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，均致力于減少求解問(wèn)題所花費(fèi)的時(shí)間。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)的掣肘在哪？

經(jīng)典計(jì)算基于比特和字節(jié)，擁有多重排列模式。經(jīng)典計(jì)算的基本單位是比特，它可以處于兩種二元狀態(tài)之一：off或on，在經(jīng)典計(jì)算中通常被描繪為0或1。連續(xù)的8比特成為1字節(jié)，其可以儲(chǔ)存更多數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)不同比特狀態(tài)排列組合，1字節(jié)可擁有256種完整組合，而這些組合也足以使用ASCII系統(tǒng)對(duì)拉丁字母表中的每個(gè)字符進(jìn)行編碼。

一種更現(xiàn)代的編碼稱為“Unicode”，使用最多四個(gè)字節(jié)的組，足以涵蓋從表情符號(hào)到泰米爾字符和許多其他基于字符的語(yǔ)言的所有內(nèi)容，而其超過(guò) 100 萬(wàn)個(gè)可用組合中的一小部分而已。

比特解決計(jì)算問(wèn)題的方式可理解為迷宮游戲。假設(shè)比特字節(jié)計(jì)算方式為一個(gè)迷宮，其目標(biāo)是使用最短的路徑到達(dá)迷宮中心。使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)，沿途的每個(gè)交叉點(diǎn)都變成與一位相對(duì)應(yīng)的二元決策，其中1/0位表示在迷宮“轉(zhuǎn)彎處”的決策。

通過(guò)此種方式，可將每個(gè)比特位的組合視為穿過(guò)迷宮的一組方向。但每一次的比特字節(jié)組合并非是正確的，一些路徑會(huì)重疊，而另一些路徑可能會(huì)遇到死胡同，但通過(guò)嘗試每種組合，最終可以找到到達(dá)中心的最短路徑。然而單字節(jié)就擁有256種組合，為了檢查準(zhǔn)確性，經(jīng)典計(jì)算機(jī)必須研究每種可能的輪組合，并且一次只能檢查一個(gè)組合。

經(jīng)典計(jì)算核心問(wèn)題在于多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無(wú)法求解

可解問(wèn)題就是相對(duì)于輸入?yún)?shù)的數(shù)量，需要計(jì)算的次數(shù)沒(méi)有急劇增多的問(wèn)題。以“從輸入的一組數(shù)字中找出最大的數(shù)字”問(wèn)題為例，在輸入了6個(gè)數(shù)字的情況下，程序逐一對(duì)比大小后，大約計(jì)算6次可得到解；在輸入了10個(gè)數(shù)字的情況下，程序大約需要計(jì)算10次；在輸入了100個(gè)數(shù)字的情況下，程序大約需要計(jì)算100次。即對(duì)于“求最大值”這類問(wèn)題，若輸入了N個(gè)數(shù)字，程序大約需要計(jì)算N次。

由果溯因反向推理問(wèn)題求解難度較大，且擁有多種組合，“不可解問(wèn)題”出現(xiàn)概率較大。對(duì)于“從輸入的一組數(shù)字中，找出乘積最接近40的數(shù)字組合”問(wèn)題，常規(guī)解法是列出所有輸入數(shù)字組合，逐一計(jì)算各種組合的乘積，再?gòu)闹姓页龀朔e最接近40的組合。

如輸入了6個(gè)數(shù)字，則有26 = 64種組合；當(dāng)輸入10個(gè)數(shù)字時(shí)，需要進(jìn)行210 = 1024次乘法運(yùn)算；當(dāng)輸入20個(gè)數(shù)字時(shí)，需要進(jìn)行210 = 1048576次乘法運(yùn)算；當(dāng)輸入30個(gè)數(shù)字時(shí)，需要進(jìn)行230 = 1073741824次乘法運(yùn)算，運(yùn)算的次數(shù)程指數(shù)式增加。

經(jīng)典計(jì)算核心問(wèn)題在于多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無(wú)法求解

當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為N時(shí)，計(jì)算次數(shù)大約為