从科幻到现实：什么是量子计算

谷歌宣称已经实现“量子霸权”，IBM微软也在开发量子计算机，就在国内不久前，中国科学技术大学首次将玻色取样推进到一个全新区域，朝着实现“量子霸权”目标迈出关键一步。可以说量子计算已经成为当下炙手可热的前沿技术！

究竟什么是量子计算呢？量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机；通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

虽然解决复杂问题时，量子计算机并不比人强多少。量子计算机将复杂任务分解成许多简单任务，与人类相比，计算机处理简单任务时快很多，这就是计算机的优势所在。但经典计算机存在限制：任务必须按顺序出现。正因如此，如果任务太复杂，或者数据库太大，想找到解决方案就会耗费很长时间。许多时候问题太庞大，从数学层面看，即使是最强大的超级电脑也没有办法突破序列任务设定的障碍，但量子计算机可以，因为它有一些有趣的特征：叠加、纠缠和干涉。

在传统计算机中，每一个比特都要对应一个具体的数（1或0），但是如果我们从量子力学的角度来思考这个问题，我们就会有全新的发现：在量子力学中，任何微观粒子、量子在没有被观测之前都处于多种状态的叠加，也就是说微观粒子、量子在没有被观测之前都是无法确定的，那么在计算机的信息处理中，比特作为量子的存在，在没有被观测之前也是不能被确定的，也就是说比特没有被观测之前可能是1、可能是0、也可能是既是1、又是0，这个可以参考量子力学著名的思想实验：薛定谔的猫，既然在量子力学中箱子里那只即死又活的猫是成立的，那么计算机中比特既是1、又是0也是成立的。

假设我们读入了一个10比特的信息，那么我们得到就是一个10位的二进制数，但是在量子计算机中则完全不一样，因为每个量子比特都处于1或0的叠加态，所以当我们读入一个10比特的信息时，我们计算器处理的就是2*10个10位二进制数了，量子计算机凭借着量子不确定性使计算机的信息处理能力、速度得到了极大的提升，量子计算机可以快速、有效的分解信息，假设我们要计算一个250位的数字，那么正常的计算器可能需要几百万年的时间，可能还没有等到计算机将结果计算出来，地球都已经灭亡了，但是如果使用量子计算机的算法，计算一个250位数的信息仅仅需要几分钟的时间。

所以说其实量子计算机的运行原理并不复杂，它仅仅是依赖量子不确定性的基础方程，在数学模型的基础上建立起来的，而且量子力学不仅仅使计算机的效率等到了极大的提成，在量子通讯、超导体制造、微小电路开关、甚至一切有关电子产品的方面都有量子力学的贡献，虽然量子力学的基础是基于微观粒子的不确定性，量子力学是在粒子概率云上建立起来的，但是它为整个人类做出的贡献却是实实在在的。