什么是量子計算和它為什么重要

IBM、谷歌、英特爾和其他公司的研究人員正在進行一場奇妙的科學軍備競賽，以建造一種具有商業(yè)可行性的量子計算機。它們已經(jīng)存在于實驗室中，而我們離開始對計算的看法發(fā)生徹底轉(zhuǎn)變只有幾年的時間了。

典型的電腦，比如你正在閱讀本文的手機或筆記本電腦，是一個二進制系統(tǒng)，基本上是一個是/不是的設(shè)備。對于計算機程序員來說，最令人驚奇的事情是，他們可以通過創(chuàng)造一系列“如果這樣，那么那樣”的場景，將像計算機芯片這樣基本簡單的東西變成像微軟辦公軟件這樣的東西。這表明計算機作為人類完成任務(wù)的工具是多么有用。

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然而，量子計算機是一個完全不同的概念——量子的原因是它不使用二進制邏輯。就其本質(zhì)而言，量子計算機是一個是/不是/兩者兼而有之的設(shè)備。當開發(fā)人員做出邏輯選擇時，他們不受“如果是這樣，那么是那樣”的限制，他們還可以問“如果是這樣，那么是那樣——或者兩者都是”，這就使世界變得完全不同。

在很多情況下，二進制計算機不能以我們想要的方式解決問題。當要求解決每個答案都是等可能的問題時，二進制計算機必須花時間分別評估每種可能性。通過所謂的“量子糾纏”，量子計算機一次可以評估不止一種可能性。

當兩個粒子糾纏在一起時，就會出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象:發(fā)生在其中一個粒子上的任何事情都會發(fā)生在另一個粒子上。愛因斯坦稱這種現(xiàn)象為“遠距離的幽靈作用”，他說得很對。自20世紀80年代以來，在量子計算方面所做的研究中，有很大一部分都集中在如何利用量子糾纏為我們造福上。

未來的量子互聯(lián)網(wǎng)也正在建設(shè)中，中國研究人員在量子通信方面取得了驚人的進步。

量子互聯(lián)網(wǎng)將是不可質(zhì)疑的，因為沒有數(shù)據(jù)傳輸。當然，存儲漏洞仍然存在，但到那時我們的安全將由人工智能來處理。這種奇怪而奇妙的糾纏現(xiàn)象意味著，你可以把數(shù)據(jù)插入一邊，然后從另一邊取出來，就像瞬間傳輸一樣。沒有任何東西在以太中旋轉(zhuǎn);在一個糾纏態(tài)粒子上發(fā)生的一切，立即發(fā)生在另一個糾纏態(tài)粒子上。

這項技術(shù)已經(jīng)存在，但是在全面實施的道路上還有許多挑戰(zhàn)需要克服。首先，我們所能做的量子計算仍然落后于我們已經(jīng)掌握的二進制計算。我們還需要克服物理上的顧慮，例如，在IBM實驗室中，處理器需要保持在百分之一度以內(nèi)的完美零度溫度。

盡管有幾個令人難以置信的問題，前景是非常光明的。最近的突破包括首個由量子加密保護的太空視頻通話。

視頻通話將北京的一名中國科學家與維也納的一名奧地利科學家聯(lián)系了起來。兩者之間的距離超過4000英里。通訊被發(fā)送到太空中的一顆衛(wèi)星上，然后通過電波傳回地球。科學家之所以選擇這種方式來研究量子網(wǎng)絡(luò)，是因為通過像光纖電纜這樣的傳統(tǒng)方式發(fā)送光子會造成信號損耗。

使用二進制計算機是不可能破解這些量子加密通信的。另一方面，商業(yè)上可行的量子計算機的成功完成可能標志著二進制加密系統(tǒng)的結(jié)束。舉例來說，理論上，如果給量子計算機提供與任何二進制系統(tǒng)相同的計算能力，那么它幾乎可以立即破解128位加密。

或許，看待量子計算所代表的變化的最好方法，是將其與二進制計算進行比較，就像你將iPhone X的性能與20世紀80年代的Timex計算器手表進行比較一樣。