瀚海狼山:九章的算力，凭什么出神入化？ |2020-12-06
成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需要200秒，而当今全球最快的超算需要6亿年。瀚海狼山（匈奴狼山）原来也不相信当代的超级计算机性能有多强大，但前年的一个真实事件之后就不再怀疑。这就是当年夏季有个台风过境狼山住所附近，而且提前至少4到5天，预报了台风中心的路径会在附近50公里外近乎静止的小范围徘徊36小时左右，这本身是非常罕见的。因为对北方来说，台风直接过境的概率本身不高。而且还在北方某地徘徊超过一整天加一整夜，这怎么可能？谁能想到3到4天之后，这个台风的中心真的就基本严格按照提前公布的台风过境路径北上，偏差居然不超过5公里！而且就真的在50公里外旋转了1整天再加1夜没怎么动，最终又按照预测的路径向东北方而去！
这预报的准确性真让人心服口服。之所以如此强大，就是因为有超级计算机帮忙来做预报。现在的超算几乎无所不能，从核爆炸模拟，到飞机设计，高铁运行，再到日常生活中的各种大数据和移动支付，如果离开了超级电子计算机，肯定都是寸步难行。超算的运算速度本身已经超过了大多数人的想象，而现在居然说全球最强超算需要6亿年才解开的问题，量子计算原型机只需要3分钟稍多就破解。感觉这已经不是严肃的数学或者物理而是神话传说。但是量子计算原型机就是这么强大，这是客观存在的事实。量子计算凭什么这么强？狼山也仅仅理解一点皮毛，这里就讲讲这个皮毛。全部用比喻说明，如果和专用术语有很大的差别甚至是差错，也仅仅作为一种帮助理解的工具，毕竟过于深入的专题实在是太难懂了。
首先说何为高斯玻色取样。为何要让当今最强的超算解6亿年？单纯什么是高斯玻色取样也不容易说清楚。用一个容易理解的比喻说，就是如果一个人进入一个假设的大楼里，他进入大堂后发现里面有两扇门，一个人只能选择进其中的一扇。这种选择是任意的。这个人打开一扇门进去后，发现里面还是两扇门。再打开后还是2扇门。这个人假设如此打开这种门高达70层，他最后进入了一个办公室。而进入这个大楼的人实际上不止一个，后面还有成千上万甚至上百亿的人都如此操作。最终的求解问题是：每个办公室里有多少人？他们都是谁？这个问题看似不复杂，其实认真想想计算量非常吓人。因为每个人都有2的70次方的选择可能，而且还是成百亿人对2的70次方选择不同，实际结果就是一个超级天文数字。难怪当今全球的最强超算都要算6亿年才最终有结果。那么为何量子计算原型机算出结果只用200秒呢，这就是在于量子计算的原始方法和电子计算机有本质的不同。
再举个例子，用超算来算一个玻璃杯，从多少厘米的高度掉到水泥地上会立即破裂？这个问题看似也很简单，但是用超算来算同样是天文难度。玻璃杯破裂，说到底是组成玻璃杯的原子之间出现了不可挽回的巨大裂缝。超算需要对玻璃杯内部的几亿亿亿个原子每个单独取样建模。然后计算如此多的原子在受到冲击后的连接度，要算出一个最终的结果可能也需要几亿年。但是现实中只要智力正常的人，都可以用两三分钟就能得到答案。这就是拿一个真实的玻璃杯，在水泥地上从低往高不断的做撒手试验，如果一次两次玻璃杯没碎了。到了一定高度肯定会碎。记录这个首次破碎的高度就可以获得超算几亿年算不出来的结果。说到底，这就是把自然规律当做天然的计算机。来获得快速有效的“计算”结果。量子计算的性能超强，基本原理大致如此。
当代的所有电子计算工具都是二进制的，也就是只有1和0，用高电平和低电平来物理表示。这有利于快速运算、防干扰和防差错。不过这里面有一个先天缺陷，就是自然万物的发展和变化是连续的。而电子计算机实际上是固定取样后再计算。虽然可以通过海量的取样来尽量的符合事物本身的发展变化，但是取样总量是有上限的。因此面对超级巨大的运算量。再强的超算也会傻眼。而量子计算就属于人为创造光量子，76个光量子就等于2的76次方的变化。而且是牵一发而动全身。等于近乎用摔杯测试这种自然规律来计算问题。计算速度就出神入化了。不过现在的量子计算只能算一些特定的问题。还不能像成熟的超算一样算的范围极广。不过想想1946年，全球第一台电子计算机刚刚发明时，每算一个新程式都要去临时改焊电子管。因此预计量子计算成熟起来大规模被运用，并不需要再过一个74年。另外这次的厉害之处，还在于一次性制造了76个光量子，比某歌的实验快了100亿倍。与这次的速度相比，对方只能算手打算盘。
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