為什麼量子計算機可以帶來計算速度的飛躍？

2017年5月3日，世界上第一台光量子計算機在上海誕生。那麼，你可知道為什麼量子計算機能帶來計算速度的飛躍嗎？

經典計算機近20年的發展有目共睹，它將人類文明帶進了一個嶄新的篇章。但是，經典計算機不是萬能的，它解決不了計算量按指數增長的問題。以現代通信技術中的加密演算法為例，一般使用上百位的兩個素數來加密，第三方要破解出來需要巨大的計算量，是花費上百年的時間。但如果用上將來的量子計算機，這類演算法將變得輕而易舉。為什麼量子計算機可以帶來計算速度的飛躍呢？這要從兩種計算機所用的基本單元說起。

計算機的基礎是比特。從物理的角度看，比特是用某點電壓的 「低」和「高」來表示數學上的0和1。比特要麼是0，要麼是1，兩種狀態中只能取其一，這是由經典物理的確定性所決定的。而在量子計算機中，我們使用量子態作為「量子比特」。量子現象的基本特點是不確定性，量子態是那種「既是此，又是彼」的疊加態。一個量子比特是非確定性的，同時是0又是1。當然，表示1個和2個的差別不大，2倍而已。但是三個比特只能表示0～7之間的一個數。三個量子比特，則可以用來同時代表0～7這8個數。現在，如果有一個3個量子比特系統構成的計算器，我們將這個系統乘以5，這時，系統中0～7的所有8個數都開始進行運算，並同時得出每一個數乘以5之後的8個結果來！也就是說，三個量子比特相當於8個經典比特的計算器同時進行平行運算，速度快了8倍！

量子計算機最初是美國物理學家費恩曼於1981年設想的。他提出了一連串令人深思的問題。首要問題是：經典的圖靈計算機可以用來模擬量子物理嗎？答案是否定的，就像現在的經典計算機無法在足夠短的時間內破解保密通信的密碼一樣，當我們試圖用計算機來模擬量子力學時，計算量將隨著微觀粒子數的增大而呈指數級增加。如何才能模擬量子世界呢？費恩曼的想法別具一格：他認為微觀世界的本質是量子的，想要模擬它，就得用和自然界的工作原理一樣的方式，也就是量子的方式才行。以其人之道，還治其人之身嘛！那就是說，我們得研究微觀世界的量子是如何工作的，建造一個按照量子力學的規律來運行的計算機，最後才能模擬它。

美國物理學家費恩曼

1994年美國貝爾實驗室的研究員舒爾發展出一種量子演算法之後，有關量子計算機的研究才逐漸成為學術界矚目的課題。2001年，美國IBM研究實驗室的科學家研製出了只有5個比特的量子計算機，並成功地用它進行計算，為實現舒爾演算法邁出了第一步。因此，量子演算法也是加速運算的關鍵。2013年，中國科學家已實現了2×2線性方程組的解法。量子演算法未來的潛力不可估量。

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