作者：IC智库

当图灵和其他计算机探索者在研究计算机的时候，人们觉得自己已经知道计算的极限是什么了。但在1981年，物理学家理查德·费曼提出了一个问题“计算机能否有效地模拟量子物理系统？”

如果使用经典计算机来模拟，需要数百万年才能完成模拟。但是如果抛开传统的计算机原理，使用量子材料，或许可以创造出一种新的计算机，获得一种新的计算模式。这就是量子计算机。

有别于经典计算机使用二进制比特作为输入，量子计算机输入的是量子比特，可以表示经典的0、1状态，也可以表示更多的状态。量子设备是一种模拟设备。对于传统计算，输出的结果就是最后的数字，而在使用量子设备做计算的时候，需要对输出结果进行专门的测量，最后才能得到输出。

在摩尔定律越发失效的今天，量子计算将带来算力新的突破，突破摩尔定律成为可实现的未来。

今天，我们一起来了解量子计算的秘密↓↓↓

· 量子比特

我们先从头说起！

“比特”是计算机科学的基本概念，指的是一个体系有且仅有两个可能的状态，一般用“0”和“1”来表示。典型的例子，如硬币的正、反两个面或者开关的开、关两个状态。

但在量子力学中，有一条基本原理叫做“叠加原理”：如果两个状态是一个体系允许出现的状态，那么它们的任意线性叠加也是这个体系允许出现的状态。

我们可以做一个比喻：经典比特是“开关”，只有开和关两个状态（0和1），而量子比特是“旋钮”，就像收音机上调频的旋钮那样，有无穷多个状态，还都是同时存在的。

现在，你明白“一个量子比特可以同时处于0状态和1状态”是什么意思了吧？它实际是说，量子比特可以处于0和1的叠加态。但在一个时刻只会处于一个这样的确定的状态，既不是同时处于两个状态，也不是迅速在两个状态之间切换，也不是处于一个不确定的状态，更不是时空分裂。

不得不说，“同时处于0状态和1状态”是一个很容易令人糊涂的说法，好像禅宗的打机锋，远不如旋钮的比喻清楚易懂。更糟糕的是，读者可能会以为自己懂了，然后胡乱引申，造成更大的误解。在科普文章中，类似这样的令人似懂非懂的说法太多了，简直是遍地陷阱。

量子比特的性质特点主要来源与其独特的叠加态。

· 存在与不存在的叠加

以著名的薛定谔的猫为例：如果活猫是一个允许的存在，死猫也是一个允许的存在，那么活猫+死猫也是一个允许的存在。当你观测处于这一状态的猫时，有时发现它是活的，有时发现它是死的，也搞不清楚它到底是活的还是死的。

活猫+死猫也是一个允许的存在？！这怎么可能呢？这的确是不可思议的。

但我们的世界真的是这么一个不可思议的神奇世界。这只不死不活、又死又活的薛定谔猫的确是一个可能的允许的存在。它还有一个数学符号：

这个例子被广泛用来解释量子叠加原理。

量子叠加态虽然在结果的表示上是确定的，结果仍是0或1，但叠加的本质让其在被观测计算前的信息是双倍的考虑！双倍的信息！

可是这抽象的特点于我又何关呢？这看似故事的叠加特性对计算发展的未来有何助力？

· 数量级的突破

许多人言之凿凿地说，n个量子比特包含2的n次方个比特的信息？

你真的知道这句话的含义吗？

真正的关键在于，对于多量子比特的体系，基本的描述方式并不是“第一个量子比特处于某个态，第二个量子比特处于某个态……”，而是“系统整体处于某个态”。

系统整体可以处于什么态呢？再次回忆叠加原理！是的，叠加原理对多粒子体系也适用。

以现阶段可实现的40量子比特计算目标为例。传统计算机40比特可作为一段40字节的计算信息表达，这只是一种可能！而在量子计算中，这40个量子比特可以表示2^40种不同的输出结果。

这意味着，同样的运算量你要用16TB的内存去满足计算的需要。

现在，我们终于明白“n个量子比特包含2的n次方个比特的信息”这句话实际的意思了。

总而言之，量子计算机是一个革命式的产品，它和传统计算机完全不同，未来我们还会经历一个非常困难的时期。目前，量子计算在世界上多个国家都得到了关注，以微软为代表的众多科技公司也在相继开发研究，因为在未来，量子计算将产生巨大的影响，我们完全有理由说未来“量子计算+AI”将成为新的时代主题。这两大主题的交织下又将产生什么新的应用，让我们在下期文章中继续讲述！

在量子世界里，由于量子比特的量子叠加态特性，量子计算机拥有了并行计算的能力。

那么量子计算到底有多强大呢？举个例子，如果我们对四百位整数进行因式分解，现在最快的超级计算机也需要六十万年，如果是做量子计算机，只需要几个小时，甚至有人说几分钟就可以做到。当然，量子计算机能做的不仅仅是整数的因式分解，我们希望能够做出大型的量子计算机，解决很多现在做不了的事情，比如密码破解，模拟量子物理系统，模拟材料学、化学和生物学，以及人工智能中的很多问题。

今天，小编继续带你了解量子计算的前沿信息！

· 量子计算实现

还记得前文所说的“n个量子比特包含2的n次方个比特的信息”，根本上，这就是量子计算机的优势所在。

具体而言，对于n个量子比特的量子计算机，一次操作就可以同时改变2的n次方个系数，相当于对n个比特的经典计算机进行2的n次方次操作。如果使用得当，这可以导致指数级的加速。。

魔鬼藏在细节中，这里的魔鬼就是“如果使用得当”。为什么会有不得当的？因为把数据读出来是大问题。

在量子力学中，测量是一个独特的操作，跟非测量的过程服从不同的物理规律。不测量的时候，系统是做连续演化的，我们可以预测系统的状态。而在测量时，系统可能会发生突变，我们可能也会失去预测能力。

这对量子计算中的算法提出了极高的要求。

量子计算与经典计算对比

虽然“n个量子比特包含2的n次方个比特的信息”，但由于测量结果的确定性。虽然你一下子获得了2的n次方次操作的结果，但当你试图从中读出数据的时候，又会失去大部分信息。

由此导致的结果是，量子计算机的这个优势，需要非常巧妙的算法才能发挥出来。只对少数特定的问题，人们才设计出了这样的算法。而对于大多数的问题，量子计算机还没有表现出任何优势。

因此，就可以明白：他们说的量子计算机的强大只是潜力，不是一般情况。量子计算机不是普遍性地算得快，干什么都比经典计算机强，而是只对一些特定的问题比经典计算机算得快。

· 应用环境

不过，这并不意味着量子计算机不堪大用。因为在目前已知的少数能发挥量子计算机优势的问题中，就包括两个非常重要的问题：因数分解和无结构数据库的搜索。

因式分解RSA加密运算次数比较

因数分解的困难性是常用的密码体系RSA的基础，能快速分解因数就意味着能快速破解RSA。想想你的信用卡、支付宝，如果能被人快速破解，世界会变成什么样？

结构搜索的应用就更广泛了，从交通流到制药，不计其数的问题都归结于搜索。即使找不到其他的问题，这两个也已经足够显示量子计算机的重要性了。

· 研究进展

20年前，有一些物理学家可能会说量子计算机永远无法实现，而20年后的今年，量子计算机已经逐渐浮出水面。

例如，关于使用什么东西做量子处理器的问题。20年前，大家说有20种方式做量子计算机，而现在人们已经发现只有几个选项是潜力比较大的，比如超导量子比特、离子比特、钻石量子比特、拓扑量子比特，它们很有可能成为未来做量子计算机的路径。

目前，量子计算已经成为了一个主流研究方向，学界对这一领域的相关奖励机制也越来越健全，不久的将来我们能看到很多聪慧的科学家在这个领域钻研深耕。但是同时，量子计算的发展在每一个阶段都是非常困难的，想要增加量子比特数需要耗费大量的心血和时间。

为什么量子计算对未来如此重要？在过去的一个世纪，计算机硬件领域有很多的进展，而量子计算的出现使得计算机在非常基础的层面也可以有很多创新。不仅是硬件领域，AI也是量子计算关注的重点。现在的面部识别机器已经在某些方面超越了人类，量子计算虽然不能全面地和人类匹敌，但也可以在某些方面一较高下。

因为量子计算的出现，我们最终可以去预测未来。至少根据目前的理解，一旦拥有了量子计算机，人们就能掌握自然中最神秘的部分。可以将自然作为基准，看看我们和自然之间到底有多大的差距。

总而言之，量子计算机是一个革命式的产品，它和传统计算机完全不同，未来我们还会经历一个非常困难的时期。目前，量子计算在世界上多个国家都得到了关注，以微软为代表的众多科技公司也在相继开发研究，因为在未来，量子计算将产生巨大的影响，我们完全有理由说未来“量子计算+AI”将成为新的时代主题。这两大主题的交织下又将产生什么新的应用，让我们拭目以待！

量子计算所涉及的科学技术，似乎离我们遥不可及。通过这几期的视频分享，大家是不是对量子计算有所了解了呢？希望本系列视频可以对大家有所帮助！

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