量子計(jì)算的介紹和運(yùn)用方向的詳細(xì)概述

現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的速度總是超過(guò)人們的想象，技術(shù)發(fā)展的方向也將人們的生活帶向一個(gè)新的層次。

在今年CES展上，因特爾宣布了自己的研究成果，一塊49個(gè)量子位的量子芯片，而后三月，谷歌宣布了一塊擁有72個(gè)量子比特的量子芯片，并且表明能夠進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，5月阿里達(dá)摩院也不甘示弱，推出了自己的量子電路模擬器“太章”，一時(shí)間量子計(jì)算的概念進(jìn)入大眾視野，成為了焦點(diǎn)話題。

什么是量子計(jì)算？

根據(jù)維基百科的解釋，根據(jù)量子力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算即為量子計(jì)算。談到量子計(jì)算，就必然繞不開兩點(diǎn)，疊加和糾纏。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基于晶體管的二進(jìn)制不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)字總是確定狀態(tài)的“0”或“1”，而量子計(jì)算使用的是量子比特，并沒有固定狀態(tài)，我們可以借用一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)“薛定諤的貓”來(lái)描述這一現(xiàn)象。

在箱中放置一只貓和連接毒氣的放射物，箱中的放射性物質(zhì)有50%概率衰變釋放毒氣殺死貓，但也有可能不會(huì)衰變使得貓活下來(lái)。

在不打開箱子的情況下，如果按照傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的角度，貓要么死了要么活下來(lái)，必然是二者中確定的一方。但是以量子計(jì)算的角度，貓可以既死既活，處于二者混合的狀態(tài)，這就是疊加狀態(tài)。

量子糾纏實(shí)際上是兩個(gè)在疊加態(tài)中的粒子相互影響的現(xiàn)象，值得注意的是，這兩個(gè)粒子在空間上距離可能會(huì)隔很遠(yuǎn)，但是雙方中間一旦一方被測(cè)定，與之糾纏的一方的狀態(tài)也會(huì)被確定下來(lái)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本單位比特(bit)擁有確定的狀態(tài)，要么“0”，要么“1”。

而量子計(jì)算的基本單位為量子比特或稱為量子位（Qubit），可以同時(shí)存在“0”和“1”兩種狀態(tài)。

如果擁有4個(gè)比特，那么傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也只是存儲(chǔ)2^4中的一個(gè)，如果擁有4個(gè)量子比特，那么能夠存儲(chǔ)的信息為2^4個(gè)，計(jì)算能力直接呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，運(yùn)算能力相當(dāng)于傳統(tǒng)計(jì)算器運(yùn)算2^4次，效率將大大增加。

得益于量子疊加和糾纏，量子計(jì)算能夠保持超高速度來(lái)進(jìn)行并行運(yùn)算，對(duì)于大批量數(shù)據(jù)結(jié)果運(yùn)算能夠保證高效完成。

不過(guò)需要注意的是如果沒有與之對(duì)應(yīng)的量子算法，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)力是難以全部發(fā)揮的，而且只有部分算法可以進(jìn)行加速，因此傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)處于相輔相成的關(guān)系，并非只是新技術(shù)完全取代傳統(tǒng)的過(guò)程。

量子計(jì)算的運(yùn)用方向

早在2016年5月4日，IBM就發(fā)布了量子計(jì)算服務(wù)，用戶可以通過(guò)云連接IBM量子計(jì)算機(jī)，來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬。量子計(jì)算作為一種革命性的技術(shù)正越來(lái)越受到重視，微軟，谷歌都投入了自己的研發(fā)力量，量子計(jì)算的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用也正一步一步離我們?cè)絹?lái)越近。

·數(shù)據(jù)計(jì)算

談到應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)的核心功能自然是數(shù)據(jù)計(jì)算，超高的運(yùn)行計(jì)算能力，這對(duì)于許多行業(yè)都是必須要求。例如今年大火的人工智能方向，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，不斷完善算法，直至產(chǎn)品滿足人們智能化需求。

在這個(gè)過(guò)程中，機(jī)器學(xué)習(xí)的成本往往是巨大的，因此許多人工智能都只能在某一個(gè)領(lǐng)域某些關(guān)鍵詞上作出相應(yīng)，難以滿足人們復(fù)雜的情景應(yīng)用，自然會(huì)被叫成“人工智障”。

但是如果利用量子計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算，機(jī)器的學(xué)習(xí)成本將會(huì)大大降低，AI的運(yùn)用場(chǎng)景也將豐富起來(lái)。其實(shí)不僅僅是人工智能，量子計(jì)算在大數(shù)據(jù)分析，智慧城市，金融模型等方面都大有可為。

·通訊加密

當(dāng)今各種密碼的安全保障依托各種加密算法技術(shù)，但是對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，能夠通過(guò)特定算法進(jìn)行高速并行輕松破解。

基于量子糾纏的特性，在通訊過(guò)程中，如果有人想要竊聽通訊內(nèi)容而對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量的話，另一端量子就必然會(huì)感知到，從而終止機(jī)密信息的傳輸，商業(yè)機(jī)密能夠得到充足的保障。

量子技術(shù)發(fā)展自然是未來(lái)的一大方向，但是我們?nèi)孕枰吹狡渲械膯?wèn)題，一是量子計(jì)算的要求更為嚴(yán)苛，需要在極低溫的環(huán)境下工作；二是量子相關(guān)技術(shù)的研究存在瓶頸，例如如何制造出純糾纏態(tài)，以此克服量子通訊的信息失真。

三是量子計(jì)算帶來(lái)的改變，例如密碼學(xué)革命性的改變，傳統(tǒng)加密技術(shù)，行業(yè)，個(gè)人信息安全的該何去何從，量子計(jì)算攻擊該如何防范。四是量子計(jì)算技術(shù)各國(guó)研發(fā)的水平差異，標(biāo)準(zhǔn)由誰(shuí)制定，量子霸權(quán)的出現(xiàn)。這些都是我們需要了解的。

量子計(jì)算技術(shù)必然會(huì)到來(lái)并給我們生活帶來(lái)巨大改變，但現(xiàn)在仍處于發(fā)展階段，因此并沒有必要過(guò)于吹捧，肯定技術(shù)價(jià)值，合理規(guī)劃研究，這是一個(gè)企業(yè)乃至國(guó)家保持創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)活力的關(guān)鍵，更何況，量子計(jì)算離改變生活的日子也不會(huì)太遠(yuǎn)了。