遇事不決，量子力學；量子計算，地覆天翻

遇到一些事情，很多人總是在調侃：遇事不決，量子力學，但是殊不知量子計算領域，將為未來帶來巨大的變革！

我要說的這種變革，是一種領域內悄然進行的革命。雖然在相關領域內部已經很熱，但在大眾間並無更多的了解（特意在群裡進行過調查）。私以為，這種變革雖然還處於初級階段，但一旦成熟，將引領整個行業乃至社會的巨大變化。
先放幾張圖吧。

是不是有種科幻片的感覺。
而繼續往下看，你會覺得真的是科幻照進了現實。
這便是在北美正在悄然進行的一項技術革命——量子計算。（國內也在研究中，但國內更強大的領域是量子物理的另一種應用：量子通信。）
本答案不是以科技論文的角度介紹量子計算，而是以講故事的原則，來聊一聊這一種值得注目的偉大變革。
量子計算的研究，從上世紀7，80年代就開始進行了。但一直是處於理論和摸索階段。
1982年是，著名物理學家費曼（吳鎮宇：黎個唔系我仔）發現在用傳統計算機模擬一些極度複雜的物理現象，例如量子疊加態過程時，計算量因模擬對象的增長而呈現指數級別的增長。傳統計算機在處理這些物理過程中，顯得困難重重。但費曼是個機智的男紙，他開腦洞假想：或許我們可以用量子態本身來模擬量子現象呢？每一個疊加都是一個獨立的運算，當這些計算全部完成後，再對它進行么正計算（問什麼是么正計算的，請翻線性代數課本），將最終需要的答案投影到輸出中去。這便是量子計算的雛形，但當時因為理論的極度缺乏，包括需要創造和傳統計算機截然不同的算法，研究的進程並不快。
直到1994年時，量子計算出現了歷史性的突破。一位來自赫赫有名的貝爾實驗室的天才，彼得·秀爾（Peter Shor）提出了量子質因子算法，並證明了量子計算機可以完成對數計算，且速度遠勝傳統計算機。
關於這個質因子算法我想說一說。我們知道現在使用的銀行卡都是帶有加密算法的，當今主流的非對稱（公鑰）加密算法，如RSA加密算法，大多數都是基于于大整數的因式分解或者有限域上的離散指數的計算這兩個數學難題。他們的破解難度也就依賴於解決這些問題的效率。用簡單的語言表述，也就是「大數不可分解性」（你的支付寶也好，工行卡也好，都是基於它）。什麼是「大數不可分解性」呢，學過小學數學的都知道因式分解吧，將一個數字分解為質因數的乘積，比如21可以分解成3X7。這樣分解到了質數的解法，就可以得到唯一的最終答案。但是21的因式分解是很容易的，如果是極大的數的分解呢？例如10949769651859怎麼分解？要解決這個問題，只能使用最原始的窮舉法，將質數一個個地代進去試，最終得到4220851 X 2594209這個答案。隨著數位進一步加大，耗費的工作量也呈指數級增長，使得當一個數足夠大時，計算機要花費破解的時間幾乎是無窮的，也便使得這個加密是「不可破」的。雖然計算機的發展遵循摩爾定律，運算能力越來越強，但是對應的辦法也很簡單，增加大數的數位就好了。
然而量子計算的出現，將這種加密算法置於一個岌岌可危的境地。這裡我不想仔細地闡述量子計算的原理，因為知乎上已經有不少類似的答案。我只是用容易理解的例子來大致說明下，說錯的地方還望包涵和指正。。
我們知道傳統計算機是依靠高低電平來表示0和1這樣兩個狀態的，也就是比特。傳統計算機只能用二進位來計算。但是量子計算就不同了，它不但有0和1這樣兩個狀態，還可以處於0和1的疊加態。也就是說，一個量子比特（Qubit），可以同時記錄0和1的所有狀態。這樣的話，如果是一個10位量子比特的信息，就不止是一個10位數的二進位數，而是包含了2^10（1024）個十位數的疊加。
這裡我們用兩位數來舉例理解下。對於傳統計算機，每一個比特是固定的0或1。那麼一個兩個比特的數，也是固定的，比如「01」，就是一個二進位的兩位數。但是對於量子比特，每一個比特都是0和1的疊加態（可以視為既可以是0也可以是1）。那麼一個兩位量子比特就可以表達「00」，「01」，「10」，「11」這樣四個二進位兩位數，也就是2的二次方個。同理，10位數就是2的十次方（2^10）。這樣一來，同樣的是讀取一個10位的信息，傳統計算機只能處理一個10位的二進位數，而量子計算機可以同時處理1024個二進位數！而隨著量子比特的增加，運算能力的遞增更是以指數級別提升的！這也可以被視為量子計算機處理信息是並行的。
這就說明，現有的密碼加密體系，都可以被量子計算機暴力破解。（目前常見的量子計算算法為Grover算法，其效率為根號下2的N次方。）也就是說，只要量子計算發展到成熟穩定，現如今世界上任何密碼都不再存在了。（什麼可口可樂的祖傳配方，情報局的機密檔案，女神的私房照之類。。。都變得唾手可得了。。。）當國家和政府意識到這一點時，針對量子計算的研究也便立刻被立項開展了（新世紀以來發展的速度極快）。當擁有無數黑科技秘密的公司意識到這一點時，他們也坐不住了，具體幹了啥後面再說。。。

也許那時候真正的機密只能用這樣的物理隔絕來封藏了。。
雖然看上去很美，但是量子計算一直以來存在一個發展的瓶頸：量子計算的本質上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統中量子相干性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相干性的衰減，產生了退相干。因此，要使量子計算成為現實，主要需要克服的便是量子的退相干現象。
在2007年，加拿大的一家黑科技公司D-Wave聲稱他們創造了世界上第一臺商用量子計算機。（也就是上面圖片裡的那種，像科幻片裡的東西。話說加拿大真的擁有很多黑科技，比如黑莓、IMAX。。）從某種意義上來說，他們的計算機還不是真正意義上的量子計算機，但是可以說，是處於量子計算機進步過程中極其重大的一步。他們使用到的原理，是一種被稱為「量子退火」的理論。
量子退火現象就好比是大自然給出的答案。比如你問「一片樹葉從高處落下，是怎樣一種體驗？」，如果是以往，想科學地回答，就要用計算機代入各種常量變量，導入一堆空氣動力學公式，建模計算得到整個流程。但大自然不需要這些計算，它自然而然便可以得到答案，樹葉自然會依照自然本身的力量落下。
量子退火也是一樣的道理，它利用的是一種「量子隧道效應」，你可以將其視為一種自然本身的力量。簡而言之，設置好狀態後，只需要加溫，再降溫，經過一個類似「退火」的過程，量子便會自然給出（近似的）最優解。再打個比方，人類中也有&34;這樣的不可思議的存在。一盒火柴掉在地上，有多少根？正常人需要一根根地數，但是雨人能一瞬間獲得答案。這本身是反人類直覺的，而量子退火也是反人類直覺的。

如果對原理十分感興趣的話，可以看一看下面這段闡述。如果覺得頭大，就跳過好了。

D-Wave的研究表明，使用一種稱之為「量子退火」的技術，能夠找到8個超導流量子位的基態（基態是指一個體系能量最低的狀態），使之不被熱運動或者噪聲擾亂。既然許多複雜的問題最後都可以歸結為尋找一個相互作用的自旋系統的基態，量子退火則已經有望解決一些形式的複雜問題了。

為實現量子退火，研究人員首先調整8個量子位，使其排成一列。由於特定方向的自旋會產生特定方向的磁場，研究人員得以讓每一個量子位的自旋和它左右相鄰的兩個保持同一方向（向上或者向下）。然後，研究人員把兩端的量子位調整為反向，並允許中間6個量子位根據它們各自相鄰的量子位，重新調整自旋方向。由於外力強制了那兩個量子位自旋反向，這一調整過程最終變成一個「受阻」的鐵磁體陣列。然後，通過向同一方向傾斜量子位並升高能壘，研究人員最終使得該系統演化成了一種特殊的受阻自旋陣列，即為基態。

量子位可以通過兩種方式改變自旋方向：通過量子力學的隧穿機制，或者通過經典的熱運動。由於加熱會破壞量子位的量子性質，研究人員必須使用一種純粹通過隧穿效應使得自旋反轉的方法。他們使用了某種冷卻系統，直到隧道和熱運動導致的轉換都已經停止，量子位被「凍結」。通過在不同溫度下重複這一過程，研究人員就能夠確定如何只使用隧道效應完成量子退火了。

即便只是一臺量子退火機，但是這樣的一臺計算機，給科技界帶來的變革是可預見的，也是極具震撼性的。看看剛才說的商業公司的反應吧。軍火巨頭洛克希德·馬丁公司買了第一臺。（就是研發F22戰機的）谷歌和NASA一起買了第二臺。（有同學提到售價。。是1000萬USD一臺）2013年，D-Wave的第二代D-Wave two也問世了。亞馬遜也已經投資這家公司。（話說我也投了簡歷。。但大神公司不鳥我。）
這樣看來，似乎如果真的量子計算機問世後，就再也沒有密碼可言了。但事實是否是真的如此呢？在研究量子算法破獲已知加密方法的同時，一種全新的加密方式也在研究中，並且一旦完成，可以預見的是，連量子算法也對其無計可施。
那麼這種神一般的加密方法究竟是利用了什麼呢？答案也是量子。。這種方法被稱為「量子加密術」。在利用量子糾纏的「EPR對」（EPR佯謬，以愛因斯坦為首的三個大神的首字母命名的悖論）進行量子通訊的實驗中科學家發現，只有擁有「EPR對」的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息。這大約便是系鈴還需解鈴人罷。。這樣的加密方式使得任何破解的企圖都是無效的。
題外話，關於量子通信方面，中國是走在世界前列的。中科大的潘建偉教授一直在帶團研究這個。世界上第一顆量子通信衛星也即將由中國首先發射。
關於量子通信就不展開了，我們還是將本答案集中在量子計算上。量子計算為什麼是巨大的變革，它會給人類帶來哪些好處呢？除了破解Q空間密碼之外。（女神：這算哪門子好處？？？）
首先是機器學習。
量子計算機也許可以像人一樣，吸收教訓，比如，量子計算機也許可以自動修改出現亂碼的程序代碼。（碼農：這算哪門子好處？？？）這一概念被稱為機器學習，與Google會根據你的搜索記錄推薦廣告類似。只是複雜得多了。在攻克強人工智慧的環節，我們沒有理由不相信量子計算會帶來多大的助力。也許某一天，真正的人工智慧機器人會帶著量子的大腦出現在人類面前。

然後是藥物的研發。

開發一種新藥是非常複雜的過程。化學家們需要進行無數不同分子組合方式試驗，以找到可真正有效治癒疾病的藥物特性。這一過程可能需要數年時間，耗費數百萬美元資金。當化學家們將這些組合進行後期實驗時，依然會有很多組合失敗。

而量子計算機可以繪製出數以萬億計的分子組合模式，並迅速確定最有可能生效的組合，這將大大節省研發成本和藥物研發時間。與我們當前所用方式相比，量子計算機為人類基因分析排序的速度也更快，這將幫助研發個性化藥物和醫療保健方式。

比如，現在很多藥物無法投入市場，因為一部分人對其反應特別嚴重。為此，我們通常會選擇放棄這種藥物，儘管其可能對許多人有很大幫助。隨著個性化基因分析的出現和了解更多藥物原理，我們將可以預測出這些不良反應。

再來便是交通擁堵會被解決。
量子計算機可以實時監控地面交通，並根據車速，車流量，人流量，行駛路線進行模擬分析，給每輛車安排行進路線，從此以後，也許堵車就跟我們告別了。
氣象預報更加精準。
有了量子計算機，模擬大氣流動，氣象變化會變得更加容易。可以處理的參數量可以大大提升，以後媽媽再也不用擔心我的出行了。
研究宇宙和外太空更加可能。
我們的目標是星辰大海。量子計算機可以幫助我們更好地模擬宇宙與外太空，並根據數據分析哪顆星球更適合人類居住。
嗯。量子計算就是這麼任性。也許站在未來的角度，現在人類對其的研究還是最原始初級的，但是想想吧，人類歷史上每一次技術革命，不都是在未雨綢繆中走向天翻地覆的麼？
量子之火，可以燎原。

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