2018年03月01日 | 有关量子计算，这9大事实你不得不知

量子计算机并不是用来浏览互联网、收发邮件，也不是用来运行常规软件。相反，量子计算机的基础为量子力学。量子力学为物理学的一个分支，该学科创立时间已有100年左右，并对人们的传统看法发起挑战。量子物理学研究对象为很小的事物，如电子和光子等，并试图解决人们此前没能解决的问题。

如果你声称量子计算机简直就是以魔法方式运行，这种说法也没有多少夸张之处。在我们面对这些很小的物体时(试想一下，比单个原子还小)，科幻小说中描写的时间旅行、瞬间移动(teleportation)等奇特现象也只能说是司空见惯。传统意义上的物理学“规则”在这儿不适用。

这无疑就可开启一些令人心动的可能性，尤其在数学分支优化学科领域就更是如此。顾名思义，优化就是要从一大堆潜在答案中找出最佳者。对于这门特定数学学科领域而言，它致力于解决现实世界中一些可实际感受到的问题。UPS快递卡车如何选择其最佳投递路线？机场该如何合理安排航班才能保持各航班不会延误？

在处理一些优化计算任务上，传统计算机可谓设备简陋。美国南加州大学克希德·马丁量子计算中心科学主任丹尼尔·里达尔(Daniel Lidar)表示，人类验证蛋白质折叠状态会花上大量时间，自然界却能够在数秒或数分钟内完成这种任务，而传统计算机要解决这些问题，则要花上数十亿年的时间去思考。

从某种程度上讲，量子计算也具有了像自然界那样同世界互动的能力。这可能是一种今人感到难以理解的深奥想法。即便如此，这也仅仅是量子计算机的冰山一角。

1.量子计算机依靠量子力学来运行，而量子力学非常“疯狂”

与我们肉眼所看到物体的运动规则相比，量子粒子的运动规则却大为不同。举例来说，量子粒子能够同时存在于两个地方，能够快速前进或后退，甚至能够进行所谓的瞬间移动，也就是物理学家们所说的“量子隧道效应”(quantum tunneling)。

这通常是我们在科幻小说中所看到的东西。但在量子世界中，这些现象可谓寻常之极。而科学家们也无法对此给出令人满意的答案。

2.没有人能够真正了解量子计算机的内部会发生什么

一个被外界所熟知的量子力学理念(也适用于科学的普通法则)，就是对某种活动的简单观察，将会改变事情的结果。我们受限于我们所使用工具的准确性，而这一点对于科学家们敏锐的眼光而言尤为适用。一个量子粒子被观察或以其他方式被测量后，则该量子粒子的属性将永远改变。

3.忘掉0和1的数字位——量子计算机使用“量子位”，而这让人充满“狂野”思想

就你的个人计算机核心而言，无疑是通过数位来处理——分别代表0和1的数字位，仅此而已。而量子计算机则使用量子位来实现其运行。与数字位一样，量子位能够代表0或1，但其真正神奇之处，还在于它们的第三种状态，即“叠加”状态——它们能够同时代表0或1。

这种神奇的能力也就意味着，同一列量子位能够同时代表大量不同事物。举例来说，如果你组建了两个量子位，则他们能够同时保持四个可能的数值：[0，0]、[0，1]、[1，0]或[1，1]。

这是否开始变得有点难以理解了？这也没什么。一些以研究量子力学谋生的聪明人，其实也与我们一样对此感到难以理解。

4.量子计算机能够解决传统计算机根本无法或难以解决的问题

在解决优化问题时，量子计算机就能够大放光彩。由于一些优化问题过于复杂，如果交由传统计算机来处理，可能会上大量时间，如数十亿年之久。

一个经典例子就是“旅行推销员问题”。想像一下，你眼前的地图上有一大堆城市，并显示出各城市之间的距离。你是一名销售员，正试图找出可走遍每个城市的最短路线。要让传统计算机来解决这个问题，唯一的办法就是记录下每一条可能路线的距离，对它们进行比较后找到最短线路。然而这并不是很“潇洒”的解决方式。

我们还记得，量子位可同时代表一个以上的事物。这也就意味着一台量子计算机能够同一时间尝试无数个可能的路线，并能够在数秒钟内向你返回最短路线的答案，而不用花上地质学纪年意义上的时间。

5.一些人认为量子计算机正在平行宇宙中运行计算

没有人能够确认让一个量子位同时代表一个以上事物的机制。它是奇异量子的天性，并颠覆了人们此前对于事情的理解。只是我们不理解，并不意味着事情没有发生。科学家们对于这种可能性有各种各样的见解。我们最能够接受的是多宇宙理论，即理论物理学声称存在着多重(很可能是数量无限)平行宇宙。

在这种模式中，正解决旅行推销员问题的量子计算机，其实很可能在平行宇宙中运行计算，并追踪在其他宇宙中的潜在线路，目的是大幅减少解决此问题所需计算时间。

6.你的个人电脑能够像超级昂贵的量子计算机那样做很多事情

考虑到量子计算机能够找到解决问题的最优化方案，它也依赖你每天所使用电脑中的一些基础数学工具。这通常是指已经过优化的基础算术。增加一堆数字并不比将它们加起来高明多少，将数字相乘并不比将他们简单做乘法高明多少。在此类例子中，你的个人电脑效率将与量子计算机一样具有高效率。

7.随着量子计算机易用性加强以及售价降低，它将给数据加密带来变革

除解决一些优化问题外，量子计算机将使我们当前有关加密和数据安全的理念得以彻底颠覆。今后任何两个人之间的通话联系，所使用加密技术实际上将无法破解。

8.量子计算机必须在保持极端低温下才能正常运行

开氏(Kelvin)温标，或者所说的“绝对零度”，也是可测量的最冷温度。根据动力学理论，当温度在绝对零度时，单个原子的动能为零，原子停止运动后，它们也就停止产生热能。美国D-Wave公司所生产量子计算机，其内部温度保持在0.02°K，相当于华氏温标-460°F。

9.量子计算机运算速度之快远超乎你的想像

美国阿姆赫斯特大学教授凯瑟琳·麦克杰奥奇(Catherine McGeoch)对量子计算机和传统计算机运行速度进行了对比。让这两种设备分别处理同一任务后，麦克杰奥奇得出结论称，量子计算机的运行速度为传统计算机的“数千倍”。