量子计算机到底有多神奇

前言

说到量子计算机的话，我们大家可能会比较陌生，我们一般都只是听过普通电脑计算机，笔记本之类的，但是对于这一项高科技，量子计算机，我们却知之很少！那么，我们量子计算机到底有多厉害呢？今天我们就来聊一下，量子计算机到底是什么？为何所有国家都争相研发！

首先，我们来看一下，量子计算机到底为何物呢？让我们一起走近量子计算机，揭开它神秘的面纱。

量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的装置。不同於电子计算机，量子计算用来存储资料的对象是量子位元，它使用量子演算法来进行资料操作。马约拉纳费米子反粒子就是自己本身的属性，或许是令量子计算机的制造变成现实的一个关键。

量子电脑分别对传统电脑的限制作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统，量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的正变换。量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限。

它与传统计算机的区别，因为传统计算机随着处理数据位数的增加所面临的困难线形增加，要分解一个129位的数字需要1600台超级计算机联网工作8个月，而要分解一个140位的数字所需的时间将是几百年。但是利用一台量子计算机，在几秒内就可得到结果，其运算能力相当于1000亿个奔腾处理器。足以知道其巨大的威力了吧！

量子计算机处理数据不像传统计算机那样分步进行，而是同时完成，这样就节省了不少时间，适于大规模的数据计算。传统计算机随着处理数据位数的增加所面临的困难线形增加，要分解一个129位的数字需要1600台超级计算机联网工作8个月，而要分解一个140位的数字所需的时间将是几百年。但是利用一台量子计算机，在几秒内就可得到结果，其运算能力相当于1000亿个奔腾处理器，运算速度比现其次是用量子计算机可以对任意物理系统进行高效率的模拟。

据报道，我国量子计算机研究取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片。量子芯片相当于未来量子计算机的“大脑”，可实现量子的逻辑运算和信息处理。 “量子芯片”作为量子计算机的“大脑”，是体现和普通计算机差异的核心。目前，国内外研究机构都开始对这一领域展开了研究，而中国也无疑已经走在了前列。除高速之外，节能也是量子计算的另一大核心优势。理论上，量子计算的过程中是没有能耗的，目前最先进的D-Wave 量子计算机处理器只消耗1 微瓦，并且能耗不会随着计算能力的提升而提升。

量子信息科学对保密通信和高性能计算给出了革命性的解决方案，人们可以利用量子密钥分配实现基于量子力学原理的无条件安全密钥分配。量子并行性又使得量子计算可以实现远高于经典计算机的计算能力。近三十年量子信息领域的实验技术飞速发展，量子密码已成为商用化的保密技术;谷歌等国际著名IT公司也己开始投资实用化的量子计算研究。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿表示，“量子计算机是一项颠覆性的技术，一旦成功研发，就可以破解现在所有的密码，另外它还可以解决大数据等等问题。虽然有种种困难，但是大家普遍认为量子计算很快（10年）就能在人工智能领域发挥作用了。因为量子退火机Dwave可以在人工智能领域完全地发挥出量子计算功能。这也是Google建立Quantum AI Lab的主要原因。

在自然科学领域，量子计算可以很高效地模拟诸多自然过程，会成为相关领域科学家的一大利器。所以用量子计算机模拟自然现象有着巨大的吸引力。这也就是为何所有国家都争相研发的重要原因！

量子将如何改变我们的生活？

有人说，从电子计算机飞跃到量子计算机，无论生产、科研还是日常生活，世界将会经历一场颠覆性改变。通过量子计算机，我们可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全部输入进去，它就能瞬间设计出最佳出行路线，从而让人们彻底告别交通拥堵。 中国科学技术大学教授朱晓波说，在我们生活的宏观世界里，物体的位置、速度等运动规律，都可以通过牛顿力学精确地测算。但在量子微观世界里，有着与宏观世界截然不同的规则。

量子的神秘之处首先体现在它的“状态”。在宏观世界里，任何一个物体在某一时刻有着确定的状态和确定的位置。但在微观世界里，量子却同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。

量子力学的开创者之一、奥地利物理学家薛定谔曾用一只猫来比喻量子态叠加：箱子里有一只猫，在宏观世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同时处于生和死两种状态的叠加。

更为诡异的是，量子的状态还经不起“看”。也就是说，如果你去测量一个量子，那么它就会从多个状态、多个位置，变成一个确定的状态和一个确定的位置了。如果你打开“薛定谔的箱子”，猫的叠加状态就会消失，你会看到一只活猫或一只死猫。

如果说一个量子已经很“奇怪”，那么当两个量子“纠缠”在了一起，那种不确定性连爱因斯坦都受不了了。根据量子力学理论，如果两个量子之间形成了“纠缠态”，那么无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个量子也会超光速“瞬间”发生如同心灵感应的变化。

而基于量子的叠加态与纠缠特性，量子计算机被认为将是最具威力的量子信息应用。此次亮相的多光子可编程量子计算机，就是探索之一。未来，其超级计算能力的实现，将为金融分析、气象预报、药物设计等大规模计算提供全新的方案。量子计算机还可以通过“模拟”，来解决科学研究中的一些未解之谜。

量子计算机最大的优势在于大幅缩短提取用户所需信息的时间，它可以在几天内解决传统计算机会花费数百万年才能处理的数据，因此未来的应用前景十分令人神往。

日前，谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展：在两次测试中D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。

经过与传统计算机的比较，谷歌称已证明其量子计算机确实可执行数学计算。

谷歌工程技术主管哈特马特·纳文表示，“这是一个值得我们欢欣鼓舞的结果，不过要将量子计算机带入我们的日常生活，技术人员们要做的工作还有很多。”

让计算速度“飞”起来

正如电影《异次元骇客》中演绎得那般，在科技发达的时代，科学家们可以通过强大的计算机虚拟出一个城市，虚拟城市中的科学家又虚拟出一个城市。不管是第一层虚拟或者第二层虚拟，其中的人类生活得怡然自得，他们有思想，有感觉。没有人去怀疑世界的真实性，完全不知道自己是个人工智能。

事实上，完成如此巨大模拟并不是一件容易的事情。一个人类个体本身所具有的全部特点、微小的变化以及本身细胞之间的各种间接的作用联系，还有环境温度、大气变化等等将是一个难以估量的庞大数据，通用计算机将很难实现完全模拟，这就需要量子计算机来完成。

据来自蝌蚪五线谱的文章称，人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。早在1982年，颇有远见的美国著名物理物学家理查德·费曼在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。1985年，英国物理学家大卫·杜斯提出了量子图灵机模型。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生了。

目前，我们所有的计算机体系都是基于冯诺依曼式的组织结构，其运行速度的增长已经明显放缓，对于大规模数据的分析计算效率也很难再提高。量子计算的提出，则是旨在专门为复杂问题的求解设计一种全新的计算机体系，即所谓的量子计算机。

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

谷歌日前宣布D-Wave量子计算机在解决问题时能够比其他任何计算机都快出1亿倍，并且能够极大地推动人工智能的进步。据悉，谷歌此次宣布的重要佐证就是“量子退火”算法。这种算法确定了当面临一系列潜在解决方案时一个特定函数的全局极小值，即在给定一系列选项时，它能够确定完成一个任务所需的最优解决方案。谷歌对D-Wave计算机的量子计算法与传统计算机上模拟量子隧道效应的算法进行了比较，量子计算机再次获得了完胜。

基于量子计算的机器，由于体系结构发生了变化，将采用全新的算法，这使得大规模数据的计算与存储不再成为难题。业界人士认为，量子计算机的巨大突破将为云计算和大数据处理乃至整个计算机科学领域带来一场变革。

并行计算是最大优势

其实，量子计算机的计算原理和薛定谔的猫是一样的，利用的都是“量子叠加态”。这意味着计算机能同时尝试所有可能的解，以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。

按照传统算法，当用户需要提取某一个词组信息或者需要解决一个问题时，计算机要先把所有可能性列举出来并验证一遍才能得到正确的信息，而量子计算机能够直接计算并提取出相应信息。这种计算称为量子并行计算，也是量子计算机最重要的优越性。

量子计算的神奇之处在于，它可以做到真正的并行计算与存储。例如，一个数位的经典存储器可以存储两个数字0或者1，但在某一时刻这个数字要么是0要么是1；而对于量子比特存储器来说，在同一时刻，它可以同时存储0和1，其存储和运行能力都成指数上升，一个250量子比特的存储器可以存储的数字比我们已知宇宙所有的原子数还多。

想像一下，你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。

这是量子计算机公司D-Wave联合创始人埃里克·勒迪辛斯基对其应用前景的解释。谷歌和NASA联合研究的量子计算机，其实就是从这个公司购买的。2013年，谷歌从D-Wave系统公司购买了一台量子计算机，并与NASA共同开展量子计算机的研究项目。D-Wave系统公司自2007年推出首台量子计算机开始就备受争议。一些学者认为由于量子形态并不稳定，量子计算机只是在理论层面可行。然而这次，谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

颠覆你未来的生活

谷歌宣布D-Wave2X的速度达到了传统芯片的1亿倍，实在是令人惊叹。量子计算机最大的优势莫过于大幅缩短提取用户所需信息的时间，因此它被认为可以在几天里解决传统计算机会花费数百万年时间才能处理的数据，未来的应用前景十分令人神往。

现在的天气预报大多是基于探测数据的推测，很难保证准确。但量子计算机可以一次分析所有数据，向我们提供更好的模型，精准地显示恶劣天气会在何时何地出现。我们可以提前预测飓风等极端天气，从而预留足够的时间拯救生命。

每天出行GPS可以帮你优化出最佳线路，但如果有了量子计算机，我们可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全都输入进去，让它计算出最优解，从而让人们彻底告别交通拥堵。

在研发药物方面，量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成，并将其中最可能有效的组合快速识别出，显著降低药物的研发成本和周期。

在探索太空方面，量子计算机可以处理望远镜视野中更多的数据，从而发现更多的行星，并迅速识别出最有可能存有生命体的行星。

尽管实现这些应用还有很长的路要走，但各大公司对量子计算机的研究绝不会停止，因为它能颠覆整个世界。一旦计算速度出现质的飞越，我们生活的方方面面都会被改变。

“落地”仍面临诸多难题

既然量子计算机已经研制成功，那为什么现在还没有普及呢？因为，它的运行条件要符合三个条件：真空环境、绝对零度和磁场保护。

量子力学是研究微观尺度的科学，要想控制计算机的量子位，其实就是需要操纵单个原子，因此条件是非常苛刻。原子在常温下的速度高达到数百米每秒，只有让原子保持在极低的温度状态，才能受控制。所以量子计算机D-Wave2X处理器温度一直稳定在-273℃，只比宇宙绝对零度高0.015℃而已。

除此之外，量子计算机还要放到比地球磁场弱50000倍（基本相当于没有磁场）、大气压比地球小100亿倍（基本相当于真空）的环境中，以保持量子态的稳定。

除了对环境要求严格，量子计算机在实际落地推广方面也会遇到一些障碍。由于量子计算机的计算方法完全不同，因此编程的方式也完全不同并且更加复杂。这意味着，对于程序员来说，要掌握一套比现有算法更为复杂的编程方式。

当然，计算机还有许多需要克服的技术问题，比如量子的不稳定性决定信息状态不稳定，这将影响到计算的准确性。

事实上，实现对微观量子态的操纵确实太困难，但这并不能妨碍人们进行大胆地探索与设想，也许不久的将来量子计算机就会出现在我们的生活中。

科学家尝试用量子计算机创造时间旅行

据国外媒体报道，如果宇宙允许开放类时曲线，那么旅行者就不可以通过时间旅行回到某个时间点上，这样的曲线无法与过去产生任何相互作用。目前科学家试图利用量子信息验证这样的能力，事实证明一个未打开的消息是非常有用的。如果实验者发送过去实验室的纠缠信息，未来是否能够收到？纠缠是一个奇怪的现象，只在量子物理学领域出现，它创造了时间旅行各系统之间的相关性，这些相关性可帮助量子计算。

谷歌的研究人员戴维·培根在10年前就提出可以利用量子计算机快速解决一批问题，广义相对论可以通过时空扭曲创造封闭类时曲线，比如虫洞。但物理学家认为必须停止这样的机会出现的，因为这会威胁到因果关系。一个经典的例子是，一个人可以回到过去，杀死自己的祖父，否定自己的存在。

在过去的二十年内，研究人员已经在量子物理学领域尝试着打破封闭类时曲线，因为量子具有模糊性和不可克隆定理。新的研究表明，量子计算机可以解决这类问题，即使我们沿着开发的类时曲线，也不会产生因果关系，这样可以避免诸如祖父悖论情况出现。