「量子計算」未來會顛覆人類認知的科技！量子計算機到底是什麼？

2020-10-13 SoulMonster

前不久，美國議員稱應重新審視向中國發放學生籤證的政策，要求禁止中國學生選修研究生層面的理科、工科專業，而只能選文科。

「中國學生想來的話就應該選修莎士比亞的著作和《聯邦黨人文集》，這就是他們應該從美國學習的，而不是量子計算與人工智慧。」

可見在未來，人工智慧和量子計算將是大國競爭的主要科技技術，量子計算的發展，將會對國家的科技領域帶來前所未有的影響！

那麼本文就來和大家聊聊這一未來會顛覆人類認知的技術－量子計算機！

首先科普一下，現在的電子銀行系統、網絡等領域的加密算法都是使用RSA密鑰體系，當前認為比較安全的RSA密鑰是1024位數！ 要破解這樣的密鑰，超級計算機需要60萬年！ 而量子計算機， 只需要幾秒鐘！

華為老總任正非曾在一次對話中講到：「很多人說區塊鏈多麼的偉大，但在量子計算機面前就一文不值了」，因為區塊鏈的加密體系，量子計算機可以很輕鬆就破解！ 大家都知道現在的數字貨幣炒得很兇，btc、eth、eos等等，如果超級計算機正式商用，幣圈必然井噴，數字貨幣也將一文不值！

那量子計算機到底是什麼原理呢？

量子計算機

中科院介紹說： 量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的並行計算和模擬能力的計算機。

我們提取幾個關鍵字：相干、疊加、並行計算，先記住

先簡單介紹現在的計算機： 從1960年到現在，計算機的體積越來越小，最初有一個房間那麼大的計算機發展到你手上的智慧型手機，那得益於計算機中的基礎計算機元件：電晶體，電晶體越來越小，現在幾乎和原子的大小相當，再也小不下去了！ 一個電晶體的開關可以形成兩種狀態，0或1，而0或1在計算機中被我們稱為比特(bit)，比特的不同組合，就構成各種各樣的數據，比如00、01、10、11分別表示1、2、3、4，兩位比特可以表示四個數，4位則可以表示2^4(2的四次方)個！

經典計算機中，4個比特一次可以表示16種情況中的一種，但在量子計算機中的4個量子比特一次就可以表示16種情況！ 這就和上面提到的疊加有關了！在習慣了經典物理的我們，再看量子物理會覺得很不可思議！經典物理中你一個比特要麼是0，要麼是1；而在量子物理中，量子比特可以同時為0和1，也就是它既是0又是1！是0和1的疊加態，我們稱之為量子疊加！ 你可能聽說過「薛丁格的貓」，該實驗就很好的說明了量子疊加這一特性。

奧地利物理學家薛丁格於1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗，是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。 是指將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在機率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據經典物理學，在盒子裡必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。在量子的世界裡，當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。

就是量子的疊加這一特性，讓其具有超強的計算能力，你可以想像，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力就可超過目前最快的「神威·太湖之光」超級計算機！如果有500個微觀粒子，其可以同時表示的是2的500次方，其可以表示的範圍將是整個宇宙的每一個粒子！

說完了疊加，再來說說相干，也叫糾纏：

在量子物理中，兩個量子具有一定的關係，當你改變一個量子的狀態，就算另一個量子在宇宙另一邊，另一個量子的狀態也會隨之改變！ 這叫做量子糾纏！

假如平行宇宙真的存在，或許另一個平行宇宙的你和這個宇宙的你會因為量子糾纏，達到心靈感應的效果噢！哈哈，開個玩笑！

量子計算機就利用了量子疊加和糾纏： 首先初始化一些量子，將他們變為量子糾纏態，然後執行量子操作，因為改變量子的狀態而得到一些結果，這些結果是0和1 組成的一些排列組合！ 而因為量子的疊加原理，我們就可以同時進行多次初始化，比如初始化4個量子就相當於同時初始化16個量子態，而運行一次就可以得到16種結果！ 這也是我們之前提到的關鍵詞：並行計算！運行一次得到全部結果 而傳統的計算機，要得到16個結果，你就得運行16次！ 這也使得量子計算機的運算速度直接達到傳統計算機的指數倍！ 而具體就得看擁有多少個量子比特！

就目前來看，量子計算機雖然無法取代傳統計算機，但在特定領域，其可能會發揮前所未有的潛力：

大數據領域：在對資料庫進行查找時，普通計算機需要對每一個數據進行查詢對比，而量子計算機所需時間則是普通傳統計算機所花時間的開平方，如果數據夠大，那麼所節約下來的時間將會得到非常大的提升！

創造私鑰，加密技術：量子計算機不僅可以很輕鬆破解你的銀行密碼，還可以進行更為安全的加密操作。由之前提到的疊加態，我們知道量子是不確定的，可能是1也可能是0，這樣的不確定性進行的加密操作你是無法進行破解的！

藥物研究：量子的特性是的其可以很好的對分子進行仿真，這是普通計算機做的比較差的方面，這在製藥方面給了我們製藥專業人員提供了非常大的幫助！

信息傳輸無需傳輸介質：現在的電話，網絡傳輸都需要一定的介質！而量子糾纏的特性可能會使得我們以後進行信息傳輸無需任何介質，一處的量子信息改變，另一處的量子則自動改變狀態信息！

還有很多的領域，是量子計算機能夠解決而目前的計算機不能企及的，且很多時候技術會催生需求，在未來的量子計算機時代，我們的生活又會發生什麼樣的變化呢？

最後說一下目前我國量子領域的發展現狀：

在2019年八月，由浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等機構組成的聯合團隊開發出一款具有20個超導量子比特的量子晶片，並成功實現全局糾纏，刷新了固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界紀錄。

這也說明我國現在在量子領域是走在了世界前沿！

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