量子计算专栏二:量子计算的并行处理-轻识

本文作者：孙裕道作者简介：北京邮电大学网络空间安全博士

引言

谈到量子计算的并行处理的特性，有点计算机常识的人不禁会问电子计算机也有这种特性，这有什么稀奇的。在远程会议开组会的时候，确实是可以让电脑“同时”运行腾讯会议，word，和扫雷游戏这三个应用程序，但是需要搞清楚的是电子计算机的并行处理其实是一种假象，准确地说应该是是宏观并行，微观串行。电子计算机的“并行处理”是建立在处理器的高速处理信息基础上。刘慈欣的小说《三体》中描述三体世界在侵略地球前为了锁死人类的基础科学，发送了两颗智子来地球搞破坏，因为智子的运行速度够快，它们可以同时干扰地球上所有粒子对撞机的运行状态，也可以同时监控地球上重要人物的行为，这其实就是微观高速可以实现宏观并行的例子。量子计算则不然，它的并行处理是植根于量子独有的特性叠加态和纠缠态上，本文会对量子计算的并行处理进行详细的介绍。

经典计算速度提升

在专栏一中介绍了量子比特的叠加性带来了编码方式的突破，能够极大地增加信息容量，这相当于解决了信息存储的问题，但是只提升了信息存储能力的话是不够的。这就相当于有一个很大的广场，但假如通往广场的道路都还是非常狭窄的话，那么会造成拥挤堵塞。所以，如果只是单纯提升了信息容量，并没有配套地提升信息处理能力的话，那么总的计算能力还是没有办法提高。
经典计算系统里面进行信息处理的就是处理器，那么最直接的方法肯定就是提高处理器的核心速度，也就是单位时间里面能处理信息的数量。586处理器就是比486要快，iPhone11手机的处理器主频是2.66GHz，这大概是1秒钟进行30亿次信息处理，但其实在2004年的时候因特尔公司就已经把处理器做到3.8GHz了。15年过去了，这个数值不升反降的原因在于处理器芯片上元器件密度太高的话能耗和散热问题就解决不了，会影响手机的使用体验。那么电子计算提升信息处理速度只能通过追加物理资源，1个处理器不行那就2个，2个不够那就增加到4 个、8个……。所以现在，电脑手机的处理器都是多核心的，一个芯片上集成了好多个信息处理模块。近几年流行起来的GPU也是同样的思路。GPU原来是专门进行图像处理的处理器，但后来发现，它们用在比特币挖矿、深度学习这些领域特别好用，以我经常做实验用到NVIDIA的GeForce RTX2080ti的显卡内置有4608个流处理器，这就是典型的速度不够，数量来凑。

资源换速度的囧境

明眼的人会发现这种拿资源提升信息处理速度的方式是不可持续的，一个最好的例证就是在专栏一里提到过的黑洞图片是花了两年才计算清洗出来的。再比如说，你要走一个迷宫，要尽可能快地找到出口。经典计算提高处理器速度的方式，就是让你能够跑得更快了，但是你还是需要一个岔路一个岔路地试。如果遇到了死胡同还要退回来重新走。用多核的方式就相当于不只是你一个人在走迷宫了，你找来了一些帮手熊大，熊二，喜羊羊，灰太狼，以及四大天王魔里青，魔里红，魔里寿和郭富城。然后安排好，这个人走这边那个人走那边。这肯定可以加快找出口的速度。但是这些人不能白走，对应到计算机里面就是更多核心要消耗更多的物理资源。这样的方法提升的速度也非常有限。第一个分岔路，你需要2个人，如果分岔路后面又有分岔路呢，就需要4个人了，然后是8个人、16个人。这可是指数增长，不需要多，在后面第30个路口的时候，需要的人数就已经赶上全中国的人口了。

量子比特

量子计算是怎样克服这个问题的在于量子比特是可以处于叠加状态的。在专栏一里提到例子中，10根量子手指可以同时表示1024份苹果，需要注意不是1024个而是1024份，每份的数量都可以不同。这是存储信息，如果信息处理的时候还要一份一份地处理的话，那么量子计算的速度还是没办法提高。但在量子力学的规律下，这10根量子手指代表的1024份苹果是可以一起并行演化的。还是以上面走迷宫的例子，这次走迷宫换成了火影忍者中的鸣人。他根本不需要其他小伙伴。走迷宫的时候，他只需要在每条岔路影分身一次。这样所有的分岔路就能够被同时探索到，只需要走一次，就可以找到迷宫的出口。这就是量子叠加态的并行演化。

随着量子比特数量的增大，信息容量也会指数增长，并且并行演化。就好像不但修了更大的广场，道路也相应拓宽了，这就能轻松地追上问题难度的指数增长了。这就是量子叠加和并行演化，为量子计算带来的巨大优势。

推荐

上面介绍的主要还是叠加性带来的优势，其实量子的另一个特效也会为信息处理能力，带来重大的提升，那就是量子纠缠。一般情况下，两个量子比特互相之间都是独立的。两个量子比特建立纠缠，就相当于两个人结拜了，发誓要同生共死。假如说结拜的这两个人是量子比特，在结拜之前，他们2个人可以有4种状态，分别是“生生”“生死”“死生”“死死”。但是两个人结拜了，也就是说建立了量子纠缠，那么他们两个人的状态就从原来的4 种，变成了2种。要么都是生，要么都是死。也就是说，不管两个人距离有多远，一个人发生意外死了，另一个人也会马上死掉。这是纠缠的方式保证了2个量子比特的同步性。不只2个可以，3个、4个、更多也都可以。计算机里保持数据同步是非常重要的，但是它需要额外消耗计算资源。假如一台计算机中有10 个数，现在要把每个数都+1。经典计算机必须分别找到存储这10个数的比特，第1个数执行+1，再找到第2个数执行+1，再找到第3个数，以此类推。操作10次，最后完成任务。量子计算机不用这么麻烦，它只要把存储着10个数字的量子比特制备成纠缠态。这样，不管量子比特们分散在存储器的哪个位置，只需要对某一个数执行了+1，其它9个就自动更新了，效率就大大提高了。所以说，量子纠缠也为信息处理能力的提高提供了巨大潜力。

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