“遇事不决，量子力学”，我们可能都听过量子力学或量子计算，但量子力学究竟是什么，一直不甚了解。

若要完整定义量子计算，我们需要首先定义一些关键术语:

量子

量子（quantum）是现代物理学的重要概念。最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”，它指的是微观世界中的最小不可分割的单元。

量子是数学概念，用来描述光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的能量特性。量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。例如，“光的量子”（光子）是一定频率的光的基本能量单位。

量子这个数学概念的意思究竟是什么呢？就是“离散变化的最小单元”，量子不是物质，是能表示物质特性的物质最小单元的统称。表示水特性的水分子可以是量子，表示氢特性的氢原子可以是量子，氧原子同样也可以作为量子。“离散变化”同样是数学概念，与“离散变化”相对的叫做“连续变化”。用宏观世界里的例子来比喻，当你在一段平路上，你可以走到1米的位置，也可以走到1.1米的位置，也可以走到1.11米的位置，如此等等，中间任何一个距离都可以走到，这就是“连续变化”。但当你上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3 个台阶，没有中间过程，这就是“离散变化”。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。

量子化现象主要表现在微观物理世界。量子化指其物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。而粒子是物质概念，我们都知道物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的，等等。量子跟原子、电子根本不能比较大小。就像“5”是一个数字，“3个苹果”是指实物，你问“5”和“3个苹果”哪个大，这让人怎么回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念，无法比较。

“量子计算”中的量子是指系统用来计算输出的量子力学。在物理学中，量子是所有物理特性的最小离散单元。它通常指原子或亚原子粒子（如电子、中微子和光子）的属性。它包括但不限于原子、电子、光子等微观颗粒，在量子世界存在某些不符合经典物理力学的规则，基于量子建立起来的物理学被称为量子力学，后来科学家发现如果操纵量子进行计算，利用量子的特性可以实现算力指数级的增长，如果能制造出一台量子计算机，经典计算机需要运算几百年的复杂问题，量子计算机几十秒就可以计算出来，实现计算机跨越式的发展，有夸张说法说，如果经典计算机的算力是燃气动气的话，那量子计算机的算力就是核能级别的了。

量子比特

量子比特（英文：Qubit，又称为Q比特），是量子系统中最小的数据存储单元(即量子计算机的基本信息单元)，类似于传统电脑计算过程中众所周知的比特位。

这里纠正一个误区，一般会觉得电子计算机是在控制着一个一个的电子进行计算，相应的量子计算机就变成是控制更小的量子来进行计算了。其实真实情况是，电子计算是利用的是经典电磁规律操控物理系统，而量子计算是利用量子力学规律操控物理系统。

经典比特和量子比特的区别

经典比特可以表示0和1两种不同的状态，就像是一个硬币的两面要么是0要么是1，并且经过逻辑门运算之后得出的结果是0和1的一种情况，绝对不会出现既是了0又是1的情况。

量子比特可就不同了。量子比特可以是1同时也可以是0，两种状态同时存在，这种特性叫量子叠加，从而随着量子位数量的增加而提供指数级更大的计算空间。量子纠缠进一步增强了这种独特的数据处理能力，纠缠是量子力学的另一个神奇特性，其中一个量子位的状态，能够在没有任何物理连接的情况下指示另一个量子位的状态，例如使它们全为1。爱因斯坦称其为“远距离的怪异动作”。这是量子电脑计算独有的特性。

量子叠加

我们知道，在牛顿经典力学的规律下，一个物体的状态的是确定的，比如人一个人只能是生，或者是死，不可能存在半生半死的情况，但是在量子世界，这种情况是存在的，即量子叠加。想要进一步理解量子叠加，就不得不提及著名量子物理学家薛定谔的那只“既死又活”的猫。

薛定谔的猫其实是一个思想实验。它假定一只猫被关在一个密闭房间内，房间里有一瓶装着剧毒气体的玻璃瓶，瓶上方有一个装有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率发生衰变。盒里还有一个机关侦测放射性原子是否发生衰变。若发生了衰变，机关将控制一个锤子砸碎玻璃瓶，释放出毒气，从而使猫死亡。

但有一个问题出现了：假定关猫的盒子不透明且隔音，不打开盒子的话便无法知道猫的死活。如果问猫是死是活，怎么回答？不打开盒子的话只能推断猫可能是死的，也可能是活的。

因此，现在盒子里关着一只“既死且活”的猫。虽然我们在实际生活中并不会遇到这样的“幽灵猫”，但量子比特却存在相似的情况。量子比特可以同时具有两个或两个以上的多重状态（叠加态），这种现象就是量子叠加。

处于叠加态时，量子粒子是所有可能状态的组合。它们会不断波动，直到被观察和测量。要了解二进制位与叠加之间的差异，一种方法是想像一枚硬币。经典比特通过“抛硬币”得到“正面”和“反面”来度量。但如果你能同时看到一枚硬币的正反面，以及正反交替时的每个状态，硬币就处于叠加态。

在波尔率先提出了量子叠加的特性后，薛定谔就想出了这个思想实验来反驳波尔的理论，最后却成了说明量子叠加特性最著名的实验，量子叠加的特性是说量子可以有不同的状态，比如说一个量子可以表示有20%的0和80%的1，有了这个特性，一个量子比特就可以表示更多的信息。

而打破叠加态的方法是测量。例如，我们打开盒子后便知道了猫的生死。因为我们得到了确定的结果（非死即活），叠加态便不复存在，物理描述为叠加态坍缩到某一个量子态。这个打开盒子的过程就是测量。

量子计算机的计算过程便涉及通过测量量子比特，使其量子态坍缩为0或1。这就使得量子计算机与我们日常生活中接触的计算机甚至是超级计算机都有着巨大差别。普通计算机每一比特（byte）仅能存储两种可能状态：非0即1。但量子计算机不同。由于量子叠加，每个量子比特理论上可同时存储0或1这两种状态，这使得量子比特拥有比比特更大的信息存储能力。比如，由于2的8次方等于256，故具有8比特的二进制计算机能表示0到255之间的任一个数字。但具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字。

量子计算机正是通过量子叠加实现同时存储大量信息的功能。因此，它们可以在处理复杂任务时，快速存储大量数据，探索多种可能并选择最有效的解决途径。

量子比特的概念虽然抽象，但量子计算机并非虚幻。建造它们的理论基础已搭建好，但是要实现它们，还要面临一项艰巨的挑战。

量子比特本质上是处于叠加态的亚原子粒子，如电子、被束缚的离子或光子。量子比特周围环境的细微变化，比如振动、电场、磁场、宇宙辐射等，都可能向量子比特输入能量，进而使叠加态坍缩，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在极冷、真空环境中以最大程度地避免任何干扰。这就是量子计算机的搭建面临的巨大挑战。

正是由于保持量子比特的叠加态是件非常困难的事，最微小的环境变化也可能导致叠加态的坍缩，造成计算错误。所以，目前世界上还没能造出一台没有误差、且用途广泛的量子计算机。

量子纠缠

量子计算机的巨大潜力，还与量子力学中的另一个著名概念“量子纠缠”有关，即各个量子比特可通过量子纠缠联系在一起。

两个量子可以发生纠缠态，一旦产生纠缠，两个量子的状态就可以实现信息的同步，而且不受距离的影响，爱因斯坦有个形象的例子说明这一点，把一双靴子分别随机放入两个箱子内，一个箱子放入到北极，另一个放到南极，只要打开北极的箱子，知道了在北极的靴子是左脚还是右脚，就同时能知道在南极的靴子是左脚还是右脚，这就是量子纠缠的特性。

简单而言，当两个量子粒子纠缠在一起时，它们的量子态相同。改变任何一个粒子的量子态的任何属性都将瞬间改变另一个粒子的状态，即便二者相隔千山万水。爱因斯坦将这种无处逃脱的联系称为“幽灵般的超距作用”。

纠缠是量子粒子将其测量结果相互关联的能力。当量子比特相互纠缠时，它们构成一个系统并相互影响。我们可以使用一个量子比特的度量来作出关于其他量子比特的结论。通过在系统中添加和纠缠更多的量子比特，量子计算机可计算指数级的更多信息并解决更复杂的问题。

互相纠缠的量子比特不仅能加密即时信息传递，还可让量子计算机的性能呈指数级增长。比如，具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字，这只是8量子比特独立存在的情况。如果它们互相纠缠起来，或者和其他量子比特纠缠……整个纠缠的系统所能表示的数字将远远超出人们的想象。

量子干扰

量子干扰也是量子科学研究中的一大障碍，因为这种量子间的干扰，量子会瞬间改变它的状态，导致波函数坍塌。

量子干扰是量子比特固有的行为，由于叠加而影响其坍缩方式的可能性。量子计算机旨在尽可能减少干扰，确保提供最准确的结果。

量子比特提升信息容量

提升计算能力的关键问题在于信息容量即它代表了一个计算机的信息存储能力。经典比特提升信息容量空间的方法有两种，第一种方法是追加物理资源，利用资源交换计算能力。第二种方法是把元器件越做越小，用更小的芯片存放更多的比特数。但是到了今天，摩尔定律已经到达极限而且线性增长计算能力的方法无法应付按指数规模增长的问题。量子比特增加信息容量的方法是它带来了新的编码方式。我们通过利用量子叠加态的特性，能够实现更加高级的编码方式。可以把这种编码方式叫做“量子二进制编码”。由于量子叠加性，每一个量子比特同一时刻可以处在两个不同的状态上，关键就在于这个“同时”。

量子计算机的使用和应用领域

量子计算机不可能在每个方面都比经典计算机快，但在有些领域，量子计算机可能会产生重大影响。

量子模拟

量子计算机在对其他量子系统进行建模时表现非常出色，因为它们在计算中使用了量子现象。这意味着它们可以处理让经典计算机难以应对的系统带来的复杂性和不确定性。可以建模的量子系统示例包括光合作用、超导性和复杂的分子形成。

加密

广泛用于保护数据传输的 Rivest–Shamir–Adleman (RSA) 算法等传统加密面临着整数质因数分解或离散对数等难题。使用量子计算机可更高效地解决其中许多问题。

优化

优化是在给定问题的预期结果和约束条件的情况下找到问题最佳解决方案的过程。在科学和行业领域，关键决策主要是基于成本、质量和生产时间等因素做出的，而这些因素都可以进行优化。通过在经典计算机上运行量子衍生优化算法，可以找到以前无法实现的解决方案。这可以帮助我们找到更好的方法来管理复杂的系统，例如交通流、登机口分配、包裹配送和能源存储。

量子机器学习

经典计算机上的机器学习正在彻底改变科学和商业领域。不过，训练机器学习模型的计算成本高昂，因而限制了该领域的范围和发展。为了加快这一领域的发展，我们正在探索用于设计和实现可加快机器学习速度的量子软件的方法。

总结

我们现在处在人类历史的特殊时代。 目前泛计算机与生物之间可能已经有些个突破口出现了。显然，人工智能的快速发展，包括神经网络、基因分析、大脑仿真、精准医学以及生物和生命科学等都需要数据以及对难以想象的数据需要强大而快速的计算能力，因为算力就是战斗力，而量子计算的强大在于能够提供强大的算力。

未来的通用型量子计算机，可基于非凡的并行计算能力实现金融市场分析预测、道路交通优化、溯源全链密码分析、加速新药研制等现实应用。这时候，就是量子计算和人工智能就会结合，实现人机共生的局面。

物理学的研究从宏观发展到微观，延伸出了量子力学、量子光学等成为不同的专业研究领域。宏观和微观不同，物质性能表现不同，物质世界的宏观是连续的，微观是离散的。离散变化是微观世界的一个本质特征。微观世界中的离散变化包括两类，一类是物质组成的离散变化，一类是物理量的离散变化。发现离散变化是微观世界的一个本质特征后，科学家创立了描述微观世界的物理学理论，称作“量子力学”。量子力学出现后，人们把传统的牛顿力学称为“经典力学”。

再深入一层，我们如果物理学来看世界，自然的根本是“量子”。今天，如果我们人类希望想用计算机模拟自然，要完全实现实现智能，量子的计算机估计是唯一办法了。当然，也要认识到量子计算是一种计算设备，是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。例如我国的量子计算原型机【九章】的问世，就是量子计算的一项伟大成就，这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为 “量子霸权”）。