量子計算機能做什麼？

2020-10-18 大科技

量子計算領域這幾年發展得如火如荼，量子計算機的比特位數也在不斷增加。2019年12月，谷歌宣布實現「量子霸權」——量子計算機在某一「特定問題」上的計算速度超過傳統計算機，這標誌著量子計算機的發展進入了一個新階段。但「特定問題」只是一些毫無價值的問題，量子計算機作為一個工具，它將來究竟能為我們做些什麼有用的事情呢？其實，量子計算機的誕生與兩個實際問題密切相關——模擬量子系統裡的物理過程、破解密碼。而且由於其強大的計算能力，量子計算機誕生之初，就有科學家就證明了量子計算機在大量數據的搜索方面也有巨大的優勢。

模擬量子系統裡的物理過程

位置、速度、動量等物理量用來描述物體的狀態，物理量改變了，粒子的狀態就會改變。對於宏觀物體，物理量的值是確定的；但在微觀量子世界裡，粒子的物理量的值卻不是固定的。這些物理量可能同時對應多個值，導致粒子能瞬間在多種狀態中來回切換。以速度為例，在宏觀世界裡，如果一個物體的速度是3米/秒，那麼這個物體的速度就明確為3米/秒。但在微觀量子世界裡，粒子的速度能在3米/秒、4米/秒、5米/秒這三個速度之間瞬間來回切換。我們說一個粒子處於量子態，意思就是這個粒子的狀態是可以變化的，量子系統指的是由處於量子態的粒子組成的系統。

計算機能模擬很多物理過程，但它能模擬量子系統裡發生的物理過程嗎？假設一個粒子的某一物理量（例如位置、速度、動量等）存在兩個值，那麼這個粒子就會存在兩個狀態，那麼含有100個粒子的量子系統就會存在2100種組合狀態。如果這100個粒子的一種組合狀態由含有100位比特的數字表示，那麼所有的組合狀態其所佔內存就是2100個100位的數字，這已經遠遠超過了傳統計算機的內存。所以，傳統計算機是很難模擬量子系統的物理過程的。

那麼，我們怎麼才能模擬量子系統裡的物理過程呢？答案就是用量子計算機。用量子系統去解決量子系統的想法，導致了量子計算機構想的產生。

20世紀80年代，為了仿真的模擬量子系統的變化，美國著名的物理學家費曼提出了按照量子力學規律工作的計算機的概念，這被認為是最早的量子計算機的思想。量子計算機和傳統電子計算機的不同之處在於，量子計算機不再由電子元器件組成，而是由多個處於量子狀態的粒子組成，所以量子計算機本身就是一個量子系統。用量子計算機模擬量子系統的過程，其實就是是用量子系統去模擬另一個量子系統，這對於量子計算機來說是一件輕而易舉的事情。

破解密碼

為了安全起見，密碼被廣泛採用。需要密碼才能解鎖的鎖頭安全係數非常高，即使是一個只含有4位數字的密碼，也有104共10000種變化（每位都有0～9十個數字可以填入），讓破解者無從下手。當然，密碼不單單只有數字的形式，它的形式是多種多樣的。因此，有些密碼加密技術甚至窮盡一個人的一生，都無法破解。但是如果能瞬間進行所有的嘗試呢？能同時運行無數種指令的量子計算機的出現，使得複雜的密碼破解工作變得簡單。

量子計算機還在構想階段的時候，就體現了其破解密碼的強大潛力。大家都學過整數的因數分解，即一個正整數可以寫成幾個因數的乘積的形式，例如4可以分解為2×2。但你能看出91的因數是多少嗎？有些人可能知道是7×13，因為按順序拿1、2、3…去試，到7的時候很容易就試出來了。但如果一個整數的因數非常的大，例如達到上億，那就沒法一個一個試了。現在電子商務、銀行等公共加密場所廣泛使用的RSA加密算法，其破解的難度就在於正整數因數分解的複雜性。早在1994年，就有人發明了能夠破解RSA加密算法的一種算法——秀爾算法。秀爾算法由美國知名計算機科學家彼得·秀爾設計，這種算法能快速的對極大的正整數進行因數分解，但秀爾算法是量子算法，只能在量子計算機上才能使用。這意味一旦量子計算機研製成功，將對全世界的密碼安全造成極大的威脅。

實際上，由於量子計算機具有瞬間運行無數種指令的特性，不管是RSA加密算法還是世界上任何其他的加密算法，在量子計算機面前都是小菜一碟。有人說，運用以前的技術幾十年才能破解的解密方法，量子技術幾天甚至幾個小時就可以破解。所以量子計算機將來極有可能威脅到網絡安全，這也是各個國家不敢懈怠於量子計算機的研發的原因之一。

搜索大量數據

假設我們有一本大型電話簿，按個人名稱（而不是電話號碼）的首字母順序排列。如果我們想找到電話號碼為6097348000的人，就必須按順序閱讀電話簿，並查看每個條目。對於具有100萬個電話號碼的電話簿，要查找其中一個號碼，傳統計算機最多需要執行100萬個指令。1996年，貝爾實驗室的洛夫·格羅弗表示：一臺量子計算機將只需要執行1000個指令就可完成相同的任務。但計算機的運行是需要算法的，格羅弗的理論依據在於他發現的可應用在量子計算機上的搜索算法——格羅弗搜索算法。格羅弗搜索算法是繼秀爾算法之後的第二種量子算法，它的發明同樣是基於量子計算機能夠同時運行多個指令的能力。

現在全球的網絡普及率已經很高了。據統計，全球網民的數量已經超過了30億。每個人上網想要搜索的數據都是不一樣的，這就意味著如何快速、準確地為幾十億人提供他們想要的數據是一個非常重要的問題。可以預見的是，當量子計算機研製成功的時候，網際網路搜索領域將得到巨大的發展。

當然，以上三種應用只是量子計算機發展初期所提出來的。隨著量子計算機的發展，人類對於量子計算機的理解會更加深入。等到量子計算機真正能為人類廣泛使用之時，其必將應用於醫藥、化學、生物、材料等眾多領域，造福人類。

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    ，它利用量子力學的奇特特性更快解決問題，甚至解決普通計算機無法解決的問題。如果率先掌握量子技術，將有利於提升國家的競爭力。量子計算的前景在20世紀80年代首次得到認可，但至今仍未實現。量子計算機難以設計、建造和編程。其中，相干性、量子損失是巨大的挑戰，這對量子計算機的運營至關重要，這可能會導致重要程序在運營之前系統就崩潰。
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