为什么量子计算机可以带来计算速度的飞跃？

小心愿

2017年5月3日，世界上第一台光量子计算机在上海诞生。那么，你可知道为什么量子计算机能带来计算速度的飞跃吗？

　　

　　经典计算机近20年的发展有目共睹，它将人类文明带进了一个崭新的篇章。但是，经典计算机不是万能的，它解决不了计算量按指数增长的问题。以现代通信技术中的加密算法为例，一般使用上百位的两个素数来加密，第三方要破解出来需要巨大的计算量，是花费上百年的时间。但如果用上将来的量子计算机，这类算法将变得轻而易举。为什么量子计算机可以带来计算速度的飞跃呢？这要从两种计算机所用的基本单元说起。

　　计算机的基础是比特。从物理的角度看，比特是用某点电压的 “低”和“高”来表示数学上的0和1。比特要么是0，要么是1，两种状态中只能取其一，这是由经典物理的确定性所决定的。而在量子计算机中，我们使用量子态作为“量子比特”。量子现象的基本特点是不确定性，量子态是那种“既是此，又是彼”的叠加态。一个量子比特是非确定性的，同时是0又是1。当然，表示1个和2个的差别不大，2倍而已。但是三个比特只能表示0～7之间的一个数。三个量子比特，则可以用来同时代表0～7这8个数。现在，如果有一个3个量子比特系统构成的计算器，我们将这个系统乘以5，这时，系统中0～7的所有8个数都开始进行运算，并同时得出每一个数乘以5之后的8个结果来！也就是说，三个量子比特相当于8个经典比特的计算器同时进行平行运算，速度快了8倍！

　　

　　量子计算机最初是美国物理学家费恩曼于1981年设想的。他提出了一连串令人深思的问题。首要问题是：经典的图灵计算机可以用来模拟量子物理吗？答案是否定的，就像现在的经典计算机无法在足够短的时间内破解保密通信的密码一样，当我们试图用计算机来模拟量子力学时，计算量将随着微观粒子数的增大而呈指数级增加。如何才能模拟量子世界呢？费恩曼的想法别具一格：他认为微观世界的本质是量子的，想要模拟它，就得用和自然界的工作原理一样的方式，也就是量子的方式才行。以其人之道，还治其人之身嘛！那就是说，我们得研究微观世界的量子是如何工作的，建造一个按照量子力学的规律来运行的计算机，最后才能模拟它。

　　

　　美国物理学家费恩曼

　　1994年美国贝尔实验室的研究员舒尔发展出一种量子算法之后，有关量子计算机的研究才逐渐成为学术界瞩目的课题。2001年，美国IBM研究实验室的科学家研制出了只有5个比特的量子计算机，并成功地用它进行计算，为实现舒尔算法迈出了第一步。因此，量子算法也是加速运算的关键。2013年，中国科学家已实现了2×2线性方程组的解法。量子算法未来的潜力不可估量。