人类科技会被“智子”锁死？来看量子计算机如何打破技术壁垒

自20世纪40年代人类开始使用计算机以来，我们的科技水平一直在以指数级增长，得益于工艺水平的提升，计算机也由庞然大物逐渐缩小，走进千家万户，变得更小更强。

但计算机部件正接近原子大小，使得计算机科技的发展即将达到物理极限，这也是人类科技进步被锁死的原因之一，而量子计算机或许可以打破这一技术壁垒，助推人类科技迈上新的台阶。在了解量子计算机之前，我们先来看一看普通计算机的工作原理。

普通计算机

计算机处理数据的核心部件是芯片。芯片由模块构成，模块包含逻辑门，晶体管则组成了逻辑门，晶体管是计算机中数据处理器的最基本单元。晶体管是一种电子开关，它可以打开或阻塞电子信息经过的通道。运行在最底层晶体管内的信息是二进制数，也就是0和1，一个二进制数代表一个比特，通过比特的组合，可以表示更复杂的信息。

晶体管被组合成逻辑门，它可以做非常简单的逻辑判断。例如，如果两个晶体管输入逻辑门的电子信息都是1，以二进制来说，1加1就该进位，那么逻辑门的计算结果就为0，发送的输出信号为1。通过逻辑门的组合，可以组装成有意义的模块，比如，计算机的加法模块。一旦计算机能做加法，那么也能做乘法，这就意味着计算机能够做任何形式的数学运算。

所有的基本运算都比一年级的数学还要简单，完全可以把计算机想象成一个在做加减乘除作业的七岁小孩。拥有足够计算能力的机器每秒可以运行数以亿计，我国的超级计算机天河二号，每秒能运行1206万亿次，当属世界上运行最快的计算机。然而，随着计算机部件变得越来越小，当达到量子层级时，量子力学的测不准原理让传统计算失去了意义。

量子隧穿

简单来说，晶体管就是一个电子开关。电子从晶体管的一端移动到另一端，晶体管相当于一个电子通道，可以放行电子，也可以阻止电子移动。现在晶体管的典型尺寸是7纳米，大约是HIV病毒直径的1/14，比红细胞小1000倍，而原子的直径通常只有0.1纳米，相当于晶体管一次能通行70个原子。当晶体管缩小到原子尺寸级别时，由于量子力学的不确定性，电子可能会直接通过逻辑门，无视逻辑门的阻塞，这就是所谓的量子隧穿效应。

在量子力学领域，量子状态变得不可测量，这与我们习惯的可预测计算方式格格不入，就像我们无法知道1+1究竟等于几一样，这让人十分抓狂。为了解决这个问题，何不打破思维定势，用量子特性来解决量子问题呢，于是量子计算机的概念就应运而生了。在普通计算机中，比特是最小的信息单元，而在量子计算机中，量子比特成为了表示信息的基本形式。

为何如此之快

由于量子的不确定性，量子比特即可以是1也可以是0，它可以同时表示两个数字。就像量子场中光子的偏振方向一样，处于量子状态中的光子，在未被观测之前，它可能水平偏振也可能垂直偏振，这种奇趣的现象也可称之为量子叠加。一旦你测试光子的偏振方向，比如说，让光子通过过滤器，那么光子的量子状态就塌陷了，光子必须具备一个确定的偏振方向，要么向上要么向下。

所以只要量子没有被观测到，量子比特就处于0和1的量子叠加态中，无法预知量子究竟是1还是0。但是当确定测量量子时，它就会从不确定性转为定态。如果将4个量子比特互相组合的话，一共有2^4种不同的排列方式，可以表示16种不同的信息。既然4个量子比特叠加可以同时表示16种信息，当越来越多的量子比特集合在一起后，可表示的信息将呈指数增长，用20个量子比特就能够存储2^20个数值，一共超过100万个信息。

量子纠缠

量子比特还具有量子纠缠属性，这是量子系统的整体特征，我们无法单独描述单个量子的具体状态，当对其中一个量子进行作用时（包括测量），另一个量子会立即作出反应，无论它们相距多远。这意味着当测量一个处于纠缠态的量子时，你可以根据测量结果直接推断出另一个量子的属性。

普通计算机的逻辑门得到一组简单的输入，然后产生一个确定的输出。而量子计算机则通过量子门操纵一组量子比特叠加输入，产生另一个叠加态作为输出。量子门纠缠量子比特来使它们形成一个量子叠加体，这个叠加体内包含了运算的所有可能结果。

这意味着，4位量子比特的叠加体只要计算一次，相当于普通计算机运行16次，而20位量子比特量子比特运算一次，则相当于普通机器运算100万次，量子计算机将使计算效率提升百万倍、千万倍甚至亿万倍，只要实现越多的量子比特叠加体，计算能力就会呈指数增长。

未来之力

虽然量子计算机暂时不会大规模生产运用，但它确实是我们下一代计算机产品。它强大的计算能力，可以带来许多实实在在的好处，其中之一是数据检索。当我们需要在数据库中查找想要的东西时，一台普通的计算机需要遍历数据库中庞大的内容，运算好几百万次。而量子计算机只需运行一次，便可完成巨量运算，大大缩短了我们等待的时间。

量子计算的另一个好处是模拟。模拟量子世界需要大量的计算，即使是像分子这样稍微大一点的结构，也需要庞大的精确计算。如果用量子比特来模拟量子世界，情况就简单了许多，稍加计算，量子计算机便能模拟出分子的精确结构。

可以这样说，量子计算机将是人类打破技术壁垒的关键所在，未来将会引领一场科技大革命，实现人类科技的巨大进步。

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