量子計算機可以幫助我們更快更有效地處理很多事情

（文章來源：網(wǎng)絡(luò)整理）
在人類歷史的進程中，人類技術(shù)的發(fā)展源于我們對大腦，火以及尖銳物體的探究。當火和尖銳物逐漸演變成為發(fā)電站和核武器時，腦研究引發(fā)了科學(xué)技術(shù)（計算機技術(shù)）的革命。從1960年（20世紀60年代）開始，電腦的計算能力一直呈指數(shù)級增長。電腦正變得越來越小，同時計算能力變得越來越強，但這個過程即將到達它的物理極限。

電腦中基礎(chǔ)電子元件的尺寸正在逼近一個原子的大小，在了解這個現(xiàn)狀引發(fā)的問題之前，我們需要弄清楚一些電腦的基本知識。簡而言之，電腦是由非常簡單的零件組成的，做著很簡單的事情，顯示數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，對計算機進行控制等。計算機芯片有不同的模塊構(gòu)成，這些模塊由邏輯門電路構(gòu)成，而邏輯門電路則由晶體管構(gòu)成，晶體管是計算機進行數(shù)據(jù)處理的最小單元。晶體管其實是個開關(guān)，可以關(guān)閉和開啟，從而控制信息傳輸。

計算機中的信息是比特（位）構(gòu)成的，可以設(shè)置成0或1的二進制數(shù)形容來表達。計算機通過一些比特（位）的組合來儲存和表達復(fù)雜的信息，晶體管可以組合起來構(gòu)成邏輯門電路，邏輯門電路的工作也非常簡單，例如，如果所有的收入都是1，那與門會輸出1，否則會輸出0。

邏輯門電路可以組成計算機模塊，對數(shù)據(jù)進行有意義的處理。比如把兩個數(shù)字相加，一旦你可以做加法，那當然也可以做乘法，一旦你能做乘法，你基本上可以做任何事兒了，實際上其中的基礎(chǔ)運算要比一年級數(shù)學(xué)還簡單，你可以把計算機想象成一組七歲的小孩兒，在計算最簡單的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)題。足夠多的計算機串聯(lián)起來就可以計算任何問題了，從天體物理學(xué)到塞爾達傳說（游戲名）。

然而，隨著電子元件越來越小，量子物理學(xué)使事情非常棘手，簡單的說晶體管是一個電子開關(guān)，電流就是從一個地方運動到另一個地方的電子，所以晶體管可以阻斷單向流動的電流，如今，一個典型的晶體管僅有14納米，這比一個HIV（艾滋病）病毒還要小8倍，比一個紅細胞還要小500倍，當晶體管縮小到只有幾個原子那么大的時候，電子可能會通過本應(yīng)被阻隔的通道，這個過程稱為量子隧道。

在量子領(lǐng)域，物理現(xiàn)象和我們平常截然不同。那么這種傳統(tǒng)的電腦就不再有進步的可能了，我們的技術(shù)進步正接近一個物理屏障，為了解決這個問題，科學(xué)家正試圖通過建造量子計算機來使用這些神奇的量子特性。在普通電腦里，比特是信息的最小單位，而量子計算機的最小單位是量子比特（量子位），它也可以設(shè)置為兩個值，量子比特（量子位）可以是任意的兩能級量子系統(tǒng)。

可以旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場，也可以形成單光子。0和1是系統(tǒng)可能存在的狀態(tài)，它們就像光子的水平態(tài)和垂直偏振態(tài)一樣，在量子世界中，量子比特不一定只處于一種固定的狀態(tài)，它可以是任何兩種狀態(tài)，這就是所謂的量子疊加態(tài)。但是一旦你要對它進行確切的測量，比如我們讓光子通過濾光器，那么它就必須要確定一個狀態(tài)，到底是水平態(tài)還是垂直偏振態(tài)。

因此當量子比特的狀態(tài)沒有被觀測到的時候量子比特就可能處在一種0和1的疊加狀態(tài)，并且你沒法預(yù)測它到底是0還是1的狀態(tài)。但是你一旦對它進行觀測，疊加狀態(tài)就會坍塌縮成其中一種特定的狀態(tài)。量子疊加態(tài)就是游戲規(guī)則的改變者，傳統(tǒng)比特可以在同一時刻，在四種不同立體基陣下各擁有兩種狀態(tài)。有16種可能的組合，但你只能使用其中一個，而量子比特處于疊加態(tài)時，就可以同時處在16種組合之中，每多出一個額外的量子比特，這個數(shù)就呈指數(shù)式增長。

20個量子比特就能存儲相當于如今一百萬比特的存儲容量，彼此間的糾纏是量子比特擁有快速反應(yīng)和能力的同時保持不確定性。也就是說每個量子比特都可以極快地從一個狀態(tài)切換到另一個，無論它們相隔有多遠。這意味著當測量一個被糾纏的量子比特時，你可以直接調(diào)用它的同伴的屬性，而不必專門去查看。操縱量子比特的想法也是別出心裁，一個標準的邏輯門工作原理是接收一組簡單的輸入，產(chǎn)生某個確切的輸出，一個量子門要輸入旋轉(zhuǎn)疊加態(tài)的概率，并產(chǎn)生新的疊加態(tài)作為輸出。

所以量子計算機設(shè)定某些量子比特作為量子門，用來約束它們和操縱它們的（疊加態(tài)）概率。最終測量到的數(shù)據(jù)是崩塌的疊加態(tài)，能確切等于0和1。這里的意思是你在啟動機器的同時就得到的大量可能計算結(jié)果，最終你只能得到測量結(jié)果中的一個，它很可能正是你想要的，所以你大概還要再測一次，但是如果巧妙地運用量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)，量子計算機就會比傳統(tǒng)計算機的工作效率高無數(shù)倍。因此就算量子計算機可能不會替代我們的家用電腦，但在其他一些領(lǐng)域，他們同樣有著巨大的優(yōu)勢，其中一個就是數(shù)據(jù)檢索，為了在數(shù)據(jù)庫查找東西，一個普通計算機不得不查看所有詞條，量子計算機算法卻只需要存入時間的腳本。

對于大數(shù)據(jù)來說就完全不同了。量子計算機最出名的應(yīng)用是破壞信息安全。現(xiàn)如今人們可以查看電子郵件和使用網(wǎng)銀，都是依托了加密的安全系統(tǒng)的保護，這個系統(tǒng)給所有人公共密鑰用來加密，但編碼的信息只有你自己可以破譯。問題是，公共密鑰實際上可以被用來計算你的個人密鑰。幸運的是，在普通電腦上做這種計算至少需要幾年的時間來嘗試和犯錯。而量子計算機由于擁有指數(shù)級增長的運算速度，呼吸之間就可以完成。

另一個激動人心的新用途是模擬仿真。量子世界的模擬仿真對資源的要求非常高，即使是計算模擬大型物體，例如分鐘子也經(jīng)常出錯，那么為什么不用真實的量子來模擬量子物理現(xiàn)象呢？量子仿真技術(shù)可以透視蛋白質(zhì)，從而引發(fā)機器變革?，F(xiàn)在我們不知道量子計算機會成為專家的工具，還是全人類社會的科技革命。量子計算機的機器學(xué)習(xí)能力可以幫助我們更快更有效地處理很多事情，利用量子計算機對其自身功能的不斷完善，可以引領(lǐng)半自動車輛等更高級別的人工智能。

所有的這些應(yīng)用聽起來令人興奮不已，但在此之前我們還有很長的路要走。如今，量子計算機研制工作的主要參與者包括谷歌和美國航空航天局，當各大公司紛紛致力于高尖端技術(shù)的研發(fā)時，取得突破也就指日可待了。
（責任編輯：fqj）