量子计算有多神奇

今年9月，中共中央政治局就量子科技举行了集体学习，习总书记强调要加强量子科技发展的战略布局，要“下好先手棋”。

问世100多年来，量子力学已先后孕育出了原子弹、激光、核磁共振等技术，成为20世纪最重要的科学发现之一；进入21世纪，量子科技革命第二次浪潮来临，正在催生量子计算、量子通信和量子测量等技术，改变和提升了人类获取、传输和处理信息的方式和能力。

由于量子科技应用面广，因此各国纷纷加大研发的力度和资金的投入。目前，美国预计十年内将拨款近13亿美元，全力推动量子科学的发展。

随着量子力学百余年的发展，已能够解决传统（我们目前正在使用的）计算机无法解决的复杂难题，比如，其计算能力随着可操纵的量子比特数呈指数增长，利用万亿次传统计算机分解300位的大数需要15万年，而利用万亿次量子计算机只需1秒。

12月4日，国际学术期刊《科学》刊登的一篇论文提及，潘建伟教授研究团队与中科院等科研机构合作，成功研制出名为“九章”的光量子计算原型机。在特定算法上的效率比现有计算机快了一亿倍，在处理特定问题的速度上更比去年公布的谷歌53比特量子计算机悬铃木（Sycamore），快了近100亿倍！它能轻易破译所有密码，迫使一切现有密码学重新改写。此外，与传统通讯相比较，量子通信能确保绝对安全。

上述的几个数字大到令人眼花缭乱，为此，我试着用最浅显的语言来介绍一下量子计算和量子通信。

首先，让我先从传统计算机谈起。

传统计算机的最小信息单位是“比特（bit）”，一个比特上的信息要么是0，要么是1。无论是早期计算机的电子管开关，还是现代计算机的晶体管电压高低，都是用物理的方法来描写0和1这两个状态；而把0和1的开关操作连接在一起，就成了一个逻辑门；再把无数个逻辑门一层一层地连接搭建，便成了计算机的运算核心和控制核心，即计算机的大脑——中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）。

那什么是量子计算呢？简而言之，就是利用“量子叠加态”来做计算。而量子计算的最小信息单位叫做“量子比特”（quantum bit，简称qubit或Q比特），虽然和传统计算机一样，量子计算机也是使用0和1，但有所不同的是，量子计算能同时计算0和1。

也就是说，在传统计算机里，一个比特在同一时间不是0就是1，只存在一种状态；但量子比特可以既是1又是0，两种状态同时存在。再说得详细一些，一个量子比特在同一时间里，可以是0，也可以是1，更可以既是0又是1：它能同时处于0和1的量子叠加态。这种独有的特性就叫量子叠加，即比特经典状态的叠加态，也就是我在之前的专栏文章中提到的“薛定谔的猫”——处于既死又活的叠加态之中。

举一个小灯泡为例，在正常情况下的任何时刻，它只能有一种状态：要么亮，要么不亮。而如果这个小灯泡处于“量子叠加态”的话，它便会呈现出又亮又不亮的状态。尽管很难理解，但量子比特就是处于这样的又0又1的状态中。

那么，这在计算时最大的好处是什么呢？

比如，我们考虑三个比特，它们的状态可以是 000、001、010、011、100、101、110、111，一共8种，每三个传统比特可以代表0到7这8个数之中的一个。比如说（二进制的）011 =（十进制的）3，如果你想把八个数都写下来的话，需要3×8=24个比特。但是，如果使用量子比特的话，只需要三个数便可以代表从0 到7这八个数的每一个数字了。

这就是量子计算最根本的优势，3个量子比特就可以代表8个数，依此类推，N个量子比特就可以代表2N-1个数。千万别以为这没什么了不起，这是不可想象的力量！因为，要用上几百个量子比特，就能表示比宇宙中所有原子还要多的数！

传统计算是把这些数一个一个地算，而量子计算则是把这些数一起来运算。比如你有0到32767（215-1）个东西要做同一种计算，在传统的计算机中，需要至少15个比特才能代表其中一个数，在理论上要对15个比特做32768次同样的操作；而如果你有15个量子比特的话，那你就只需要对它们操作一次即可！