十分钟看懂量子计算机到底是什么

本源量子 昨天

以下文章来源于科技留声机 ，作者Sjoey

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自20世纪电脑出现以来，半导体产业经历了数次飞跃发展，计算机性能指数级增长，且更小更强。

但如今，传统计算机已达到现代物理的极限——晶体管接近原子尺寸。

好在，出现了量子计算机。

为了后面更好理解，我们先来回顾下基础电路知识（学霸可略过）。


首先，我们知道计算机是由基本元器件组成的，即电路的逻辑门，而每个逻辑单元则是由晶体管组成，仅能完成一些诸如加减乘除的简单操作。


晶体管组成了各种逻辑门，与或非门等。


组合多个逻辑门，方可完成相对更复杂的计算。

晶体管是能让计算机处理数据的最基本单元，从功能上来说，它像开关，可阻挡或允许电流通过。高低电信号便组成了数据，即比特，对一个比特来说，有0和1两种，比特位数越多，能表示的数也就越大。

如今1个晶体管，已经能做到几纳米的大小。由于小到仅数个原子的大小，电子有时会无视其中的阻碍而直接通过一个已关闭的三极管开关。这种神奇的超自然现象被称为：量子隧道（量子隧穿）效应。


在量子领域，传统物理学不再适用，一些物理现象无法解释，所以传统计算机无法工作。

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人类遇到了真正的物理屏障，摩尔定律也失效了。


接下来科学家要做的就是，利用量子特性来研究量子计算机。

传统计算机中，比特是最小的信息单位，分为0和1。量子计算机中，量子比特可被设为0和1中任意一个。


一个量子比特可由任意二阶量子系统组成，该系统可存在0和1两种状态，就如光子可水平或垂直极化（电磁波在传播时的方向和电磁场相互垂直，我们把电波的电场方向叫电波的极化）。


例如同时具有磁场和自旋的系统或单一光子。

在量子世界里，量子比特可同时处于多种态，它可以是几种不同量子态当中的任意几种归一化线性组合，这种状态即我们常说的：量子叠加态。


不过，一旦你通过光子探测器去确定它的值时，它就会变为水平或垂直极化状态中的一种。

也就是说，只要不被探测器观察，量子比特就处于叠加态（同时等于0和1）而无法预测其值。在被观察的那一刻，它就会坍缩为两种状态中的一种（参考薛定谔的猫），量子叠加态的特性带来了变革可能性。

首先，我们知道，传统比特在表示16种可能的组合时，你只能选择其中1种。


而在处于叠加态的量子比特中，你可认为它同时处于这16种中的所有状态：


啥意思？简单点，降维到小学程度举例（敲黑板~咳咳划重点！）：

一个内存仅有n位比特的简单计算机模型，它有2ⁿ 种状态，n=4时即16种；
对于传统计算机，在任意一个时刻，它只能处于其中的1种状态 ；
对于量子计算机，4个量子比特都可处于叠加态，也就是能同时工作在上述16种状态中！即上述1台量子计算机=16台传统计算机并行工作！

综上可得，二者在某些场景下的计算能力关系为：

1台n位量子计算机 = 2ⁿ台n位传统计算机

由此可见，每多一位（逻辑比特），量子计算机的优势呈指数级增长！

更有趣的是，量子比特还有个难以置信的特性：它可以处于量子纠缠态。


顾名思义，也就是量子间有着无形的关系，像丝一样纠缠在一起。紧密的联系使得一个量子比特发生变化会立刻反应在另一个相关的量子比特上，无论多远。

这意味着，我们只需通过观测知道其中的一个状态，另一个的状态也就不言而喻了。


但是，操纵量子比特也相当令人困惑。我们知道，普通逻辑门由一组输入即可得到一个确定的输出状态。


而量子门则用于，操纵处于叠加态的量子比特，改变它被观测时可能出现的状态，并最终输出一个叠加态与之前不同的量子。


因此，量子计算机会设置些量子比特，利用量子门让它们处于纠缠态，并操纵它们各个状态出现的可能性（上帝之门）。

再通过观测它们，使叠加态坍缩，可能的输出序列中的一种就会出现。这意味着，你可以同时进行多组不同的运算。


最终，它们的结果便是期望中的一种。恰当利用量子纠缠和叠加态，在某些时候它的效率将大大超过传统计算机。


因此，尽管量子计算机在一些方面表现平平，比如你拿它来上网、打游戏。

但诸如一些并行计算场景，则是它用武之地，在这些场景中它有着得天独厚的优势。

例如：在数据库中进行海量数据检索时，传统计算机需遍历其中所有可能的匹配才能找到最终结果，而利用量子计算机中的匹配算法去寻找结果，则可节省数倍时间！


还有，在计算机安全领域，量子计算机也有着非凡意义和重要应用。目前多数的加密系统，通过公开分发的公钥加密数据，只能由对应私钥持有者才能解密。但关键在于，获取公钥后其实是可通过数学方法去计算私钥的。


那么问题来了，传统计算机去计算私钥，可能要花费数年甚至更久的时间，显然不太现实。而量子计算机可指数倍加快这一计算过程。


是的，一旦量子计算机取得突破性进展，那么，或许现有的众多所谓安全的加密系统将被颠覆。

此外，量子计算机还有模拟量子现象等用途，模拟量子现象一般需耗费海量的资源（论大型超级计算机的重要性）即便是模拟分子，精度也难以让人满意。


而通过这些模拟，能帮助我们了解各种蛋白质的特性，从而带来医学变革的可能，拯救人类。最近的案例可参考2019新型冠状病毒的高精度蛋白质模型，一般人可画不出。


如今，众多顶尖科学家正前赴后继地研究该技术，让我们致以最崇高的敬意！

他们，是时代的先驱，是未来的开拓者，肩负着未来重任！就让我们共同期待未来！

截图来自油管Kurzgesagt频道
原视频链接：https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28



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