量子計算與普通計算有什麼不同，為什麼它會那麼快

最近中科大教授獲得了量子計算的國際獎項，引起眾人關注。特別是量子計算中量子兩字，來源於違反常理的量子力學，為量子計算添加了一絲神秘色彩。那麼量子計算與普通計算究竟有什麼不同，它為什麼會算的那麼快。

計算的本質

首先我們來討論一下計算的本質。計算是一個輸入、然後按照一定的規則處理，再輸出結果的過程。計算機就是能夠完成這個過程的工具，他可以是我們熟悉的電子計算機，也可以是我們的手指頭，還可以是一個生物學實驗。

想像一下，我們是怎麼教一個3歲的小朋友計算1加2的？是不是先幫他掰開1根手指，保持住，再幫他掰開另外2根手指，然後，數一數有幾根立起來的手指頭？其實，你看，打開手指頭就是把數據輸入到「計算機」裡。而將手指頭們立起來並聚攏到一起，就代表著運算。最後，數一數就是對運算結果的輸出。

然，並不是唯有針對數據的處理過程才叫做計算，計算的含義要豐富的多。不僅我們人類能夠設計出計算機，大自然也可以做計算。

在日本，有科研人員做了這麼個實驗。首先，他們設計製作了一個形似關東地區形狀的培養皿，然後在這個培養皿裡放入可借指鐵路站點的大小不一的食物塊，以及用來模擬高山湖泊的光斑。一切就緒，實驗人員就將一種黏菌微生物放入了培養皿中。一段時間之後，神奇的事發生了，黏菌們僅僅憑藉他們能在不同位置的食物之間建立起食物網絡的習性，就演化出了一個與現實中關東鐵路網十分相似的食物網路。而這個網絡其實就對應著城市之間的最優路徑，要知道，計算多個城市間的最優路徑在現實中可謂是一個非常複雜的運算過程。

你看，若是我們將這個生物學實驗看做是一臺計算機，那麼初始放入的食物、光斑、黏菌就是輸入；整個演化歷程就是運算過程；最後形成的食物網路就是結果輸出。

量子計算

前面，我們說到計算就是輸入、運算和輸出，這個本質比較容易理解。其實，更進一步地，我們還可以繼續深挖一層。那就是，計算必須依附於物理系統來實現，因此，我們也可以將計算看做是這個物理系統的演化過程，所謂輸入、運算和輸出正好對應著演化的起始狀態、演化過程和結束狀態。那麼，某個物理系統能不能作為計算機，就看這個系統的初態、演化和末態，能不能被我們通過某些規則去掌控住。電子計算機為什麼這麼成功，就是因為我們對電磁規律非常熟，能夠將大多數的計算問題解釋並輸入到電子計算機這個系統裡，並能夠非常快地加以處理，然後給出運算結果。

那麼為什麼需要量子計算呢？

這是因為我們需要處理的問題，其計算量已遠超當前電子計算機的能力極限。比如說，2019年4月，人類發布的第一張黑洞照片，其實是我們利用現有最好的超級計算機，在通力合作的基礎上，耗時兩年才運算出來的結果。我們的基因組計劃、癌症藥物篩查與研發、太空探索等很多領域都需要有更大算力的計算機。其實，在設想更大算力的計算機方案裡，不只有量子計算，還有諸如類腦計算、生物計算等。而在這些方案裡，按照目前我們對相關規則的熟悉程度來說，其中最有希望得到實現的唯有量子計算。

量子計算的原理

顧名思義，就是利用量子力學原理進行計算的物理系統。量子計算機在理論上，其可以比電子計算機算的更多更快。對於同樣的比特數N，量子比特可表示的信息容量是電子比特的2的N次方倍。而在運行速度上，量子計算憑藉其量子糾纏的特性可大大提高計算速度。舉個例子，現在要把10個數都加1。電子計算機怎麼搞？他需要一個數一個數的去執行加一的操作；那量子計算機呢，他只需要使其中的一個數完成加一的動作，剩餘的9個數會因為量子糾纏而自動更新。這就是量子計算比普通計算快那麼多的原因。

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