當把上帝擲的骰子用到計算機中，神奇的量子計算

說起量子計算大部分的人都會是這種的狀態，只聞其聲，如雷貫耳，但對它到底是怎麼實現的知之甚少。希望通過本文介紹，能夠讓大家對量子計算有個較為全面的認識，尬聊的時候拿出來，分分鐘收穫一片膝蓋。

量子計算的由來

量子計算（quantumcomputation），20世紀80年代初期由阿貢實驗室的P.Benioff提出。1982年，美國著名物理物學家理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法，他想如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，量子計算機的概念誕生了，量子計算從此踏入「算力江湖」。

量子是什麼？

了解量子計算，先從物理開始。1920年，薛定諤、愛因斯坦、海森伯格和狄拉克，共同創建了一個前所未有的新學科——量子力學。

量子力學指出，世界的運行並不確定，我們最多只能預測各種結果出現的概率；一個物體可以同時處於兩個相互矛盾的狀態中。（想要更多了解量子力學，參考《上帝擲骰子嗎？》，這裡就不展開介紹，畢竟物理物理，如在霧裡...）

量子是指一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，量子是任何物理實體（比如能量和質量等）的最小可能單位。

薛定諤的貓和量子疊加態

薛定諤提出過一個著名的思想實驗，簡單的說就是把一隻貓關在箱子里，要不要往箱子里放毒由上帝拋硬幣決定，誰也不知道上帝會拋出正面還是反面，但是肯定50%的概率放毒，50%的概率不放毒，最後貓是死是活呢？並不知道，只能打開箱子看了才知道，而在打開箱子之前，貓是處於既死又活的疊加狀態。

再說一個更簡單的例子，在歡樂鬥地主中有一種玩法叫賴子玩法，其中的賴子牌可以是任何牌面，集13種牌的狀態於一身。

可以看出，量子之所以具有疊加態完全是因為隨機性，量子力學的結果就像上帝在擲骰子一樣。一定的概率出現A狀態，一定的概率出現B狀態。

量子比特

和經典計算機擁有比特位一樣，量子計算機擁有量子位。在經典計算機中，有比特0和比特1，一個比特位要嘛是0，要嘛是1。而量子比特可以同時以0和1的形式存在，有一定的概率是0，有一定的概率是1。

也就是說，經典計算機中，一位比特位可以存儲的信息是0或者1，量子計算機一個量子位可以存儲的信息是0和1。

兩個比特位可以存儲的信息是（00、01、10、11）四個中的一個，而兩個量子位可以同時存儲這四種狀態。如果一個量子計算機可以同時操縱N個量子比特，那麼它實際上可以同時操縱2N個狀態，其中每個狀態都是一個N位的經典比特。

這就是量子計算機強大的並行計算能力。

無所不能的量子計算機？

量子計算（quantumcomputation），20世紀80年代初期由阿貢實驗室的P.Benioff提出。1982年，美國著名物理物學家理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法，他想如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，量子計算機的概念誕生了，量子計算從此踏入「算力江湖」。

Grover演算法

假設有N個未經排序的數據，如果使用經典演算法，找到其中的某個數字x，條件是它滿足P(x)=Ture。比方說，N個蘋果中有一個是貼上了標籤的，要你從這N蘋果中找到這個貼了標籤的，你能怎麼辦呢？一個一個的找，直到你找到那個蘋果為止。

我就是那個咋了牛頓後被喬布斯咬了一口的蘋果啦...

來看量子計算機是怎麼運算的。

前面說了，一個有N個量子比特的計算機同時可以操縱2N個狀態，那麼N個數字，需要log2N個量子比特，每一個量子比特可以同時操縱N個狀態（每個量子比特是N個狀態的疊加）。當量子計算機運算一次，就相當於它同時對N個狀態做了N次計算。

在一次計算的N個結果中，必然會有一個是我們想要的數字。但是，如果這個時候去讀取結果，就會出現一個問題，每一個結果發生的概率都是1/N。那怎麼辦呢？增加我們想要的數據發生的概率。

通過數學計算證明，反覆重複以上計算過程 (π√N)/4次之後，我們要找的數據發生的概率就會達到最大，最終的概率值為（1-2-N）這個時候再去讀取數據，就會有很大的概率讀取到我們想要的數字啦。

如果N是10萬，經典計算機的計算量將近10萬，而量子計算機只需要250次左右。

挑戰目前的安全機制

現在應用最廣的RSA加密方式（由Ronald Rivest、Adi Shmamir、Leonard Adleman）是基於一個簡單的共識：經典計算的邏輯運演算法則下，分解整數的質因數是一個複雜的計算過程。分解一個整數N，需要N^(1/2) 量級的運算次數。只要這個數字的位數（二進位）足夠多時，分解這個數字的過程就會變得不可能。但是如果是量子計算的邏輯，整個分解的過程就會被縮減到log?N的運算量級，這就意味著量子計算機可以幾分鐘破解我們目前的加密方式。

對我們來說，分分鐘的事情啦～

量子霸權

在業界，如果能有效操縱50個量子比特，計算能力就能炒鍋最強大的傳統計算機，實現相對傳統計算機的「霸權」。國際上Google、IBM、Intel，微軟等多家巨頭相互競爭，國內也有像中科院潘建偉老師這樣優秀的團隊以及BAT的量子研究所。今年3月，Google發布了全球首個72比特量子計算機，錯誤率1%。

《奇點臨近》一書中提出過，指數級的增長是具有迷惑性的，它始於極微小的增長，隨後將以不可思議的速度爆髮式的增長。現在的人工智慧，正如我們所見，只有一些微小的增長，很不經意的滲透到我們生活中，但是隨著量子計算機、智能演算法、基因技術等的發展，一旦這些技術都成熟起來，人類生活將出現天翻地覆的變化。至於，奇點何時來臨，無人知曉...

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