一洒忧、量子計(jì)算機(jī)是可以改變世界的東西？
計(jì)算够颠，是人類(lèi)在這個(gè)世界的根本需求熙侍。
我們從心算、紙筆計(jì)算，再到用上諸如算盤(pán)之類(lèi)的工具蛉抓，再到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)庆尘。我們所得到的的數(shù)字越來(lái)越精確，我們對(duì)這個(gè)世界的了解越來(lái)越多巷送，我們所能改變的也就越來(lái)越多驶忌。從茅草屋，走進(jìn)水泥房再到遍布全世界的200米高的摩天大樓惩系，從偏隅某個(gè)山谷位岔，再遷移到各個(gè)大洲，進(jìn)而眺望星辰大海堡牡。
這是我們計(jì)算能力不斷提升的過(guò)程抒抬。算力推動(dòng)生產(chǎn)力，讓世界逐步變成現(xiàn)在的樣子晤柄。
算力擦剑，制約著改變世界的潛力。
舉個(gè)例子芥颈，現(xiàn)代社會(huì)信任和秩序的基石惠勒，是密碼學(xué)。所有的合同爬坑、賬戶(hù)纠屋、個(gè)人資料等等都是在網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)過(guò)加密，解密不斷的運(yùn)行反復(fù)盾计。而密碼學(xué)之所以有效售担，不是因?yàn)樗豢梢云平猓且驗(yàn)橐袁F(xiàn)在的算力來(lái)說(shuō)署辉，破解它的時(shí)間太長(zhǎng)族铆，使得破解它變得沒(méi)有意義。
而當(dāng)量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)哭尝，它的算力能夠?qū)⑵平庖粋€(gè)密碼的時(shí)間從原先的50年哥攘，變成30s，那這個(gè)世界會(huì)是這個(gè)怎樣的樣子材鹦？
再聚焦一點(diǎn)逝淹。比特幣，而它本質(zhì)上是基于密碼學(xué)的一種記賬手段桶唐。如果量子計(jì)算機(jī)真的實(shí)現(xiàn)了创橄，那么比特幣是不是就崩盤(pán)了？
這些問(wèn)題時(shí)間終究會(huì)給出答案莽红。如果量子計(jì)算機(jī)變成現(xiàn)實(shí)，改變的不僅僅是市值11600億人民幣人比特幣那么簡(jiǎn)單。
二安吁、計(jì)算機(jī)是什么醉蚁？
計(jì)算，抽象的看鬼店，就是輸入网棍，運(yùn)算，輸出妇智。
計(jì)算機(jī)的基于某種硬件滥玷，以及某種物理硬件上的規(guī)則應(yīng)用。
當(dāng)計(jì)算抽象的輸入巍棱、運(yùn)算惑畴、輸出，映射到到物理系統(tǒng)里面航徙，就是具體的初態(tài)如贷、演化、模態(tài)到踏。
電子計(jì)算機(jī)是基于經(jīng)典電磁學(xué)杠袱，而量子計(jì)算機(jī)，而是基于量子力學(xué)窝稿。
而一個(gè)計(jì)算機(jī)的能力大小楣富，則是我們利用相應(yīng)的物理規(guī)則，去操控這個(gè)物理系統(tǒng)的初態(tài)伴榔、演化纹蝴、和末態(tài)。
從電子計(jì)算機(jī)再到量子計(jì)算機(jī)潮梯，實(shí)際上是從經(jīng)典電磁規(guī)則的應(yīng)用切換到量子力學(xué)的應(yīng)用骗灶，并且，為了和這套規(guī)則適配秉馏，底層的物理硬件也同樣需要迭代替換耙旦。
對(duì)于經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，底層的物理硬件可以是老式的電子管萝究，也可以是今天使用的晶體管免都。
而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，不同的公司還有不同的方案帆竹。例如IMB公司選擇的是超導(dǎo)電路方案绕娘，而微軟公司，選擇的就是拓?fù)淞孔佑?jì)算的方案栽连。除此之外险领，實(shí)驗(yàn)室里面還有用光子實(shí)現(xiàn)的方案侨舆，用量子阱的實(shí)現(xiàn)方案。
三绢陌、經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)的瓶頸
提升算力挨下，有兩種方式，增加信息容量和提升運(yùn)算速度脐湾。
其一臭笆，增加信息容量
無(wú)論是那種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，這都是在操縱比特秤掌。
比特越多愁铺，則信息存儲(chǔ)空間越大，計(jì)算上就更具有優(yōu)勢(shì)闻鉴。
舉個(gè)例子茵乱，如果雙手是個(gè)計(jì)算機(jī)的話，因?yàn)槲覀冎挥惺种附忿郑孕畔⒌娜萘烤褪?0似将。我們只能做10以?xún)?nèi)的計(jì)算。而如果我們把雙手雙腳都給加上蚀苛，信息容量變成了20在验，我們就可以進(jìn)行20以?xún)?nèi)的計(jì)算，計(jì)算能力翻了一倍堵未。
增加比特?cái)?shù)目腋舌，對(duì)應(yīng)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有兩種方式：
其一：依靠追加物理資源的方式渗蟹。我們?cè)谝粋€(gè)元器件上放上更多的比特块饺，也就是1G變成2G，2G變成16G雌芽。但這是種笨辦法授艰，經(jīng)典元器件的體積已經(jīng)做的足夠小了，換句話說(shuō)世落，我們沒(méi)有辦法把元器件做的更小以容納更多的比特淮腾。
其二：優(yōu)化解碼方式。拿雙手來(lái)說(shuō)屉佳，本來(lái)一根手指就代表1谷朝，那現(xiàn)在如果左手的手指代表10，右手的手指代表1武花，也即是一個(gè)進(jìn)位操作圆凰。這樣我們的計(jì)算能力就變成了55。
再換種編碼方式体箕，如果把右手的拇指代表1专钉，右手的食指代表2挑童，右手的中指代表4，這樣計(jì)算的話跃须，我們的信息容量就變成了2的十次方炮沐，也就是1023.
同理來(lái)講，因?yàn)楸忍鼐褪?和1的兩種狀態(tài)回怜。對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，如果它又N個(gè)比特换薄，所以它的信息容量上限就是2的X此房玉雾。
可以看出，對(duì)于經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)轻要，增加比特?cái)?shù)复旬，以及把二進(jìn)制作為編碼手段，已經(jīng)是增加比特?cái)?shù)的所有方法了冲泥。
其二驹碍，提升信息處理速度
傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)也是采取增加處理器的辦法。
單個(gè)高頻的處理器凡恍，肯定要比低頻的處理器每秒的運(yùn)算速度要快志秃。而單個(gè)高頻的處理器，就是要上更多的元件嚼酝，處理器芯片上的密度如果太高浮还，又會(huì)引發(fā)能耗和散熱的問(wèn)題。
那么只有追加物理資源來(lái)提升信息處理的速度闽巩，一個(gè)CPU上面钧舌，集成了很多信息模塊處理器。
很顯然涎跨，這種方式也是有物理瓶頸的洼冻。
四、量子計(jì)算機(jī)的突破
其一隅很、在增加比特?cái)?shù)目方面撞牢，量子比特的容量是電子比特的n次方倍。
基于量子特性外构，量子計(jì)算機(jī)采用的是優(yōu)化編碼方式普泡，即量子二進(jìn)制編碼。
在量子力學(xué)的規(guī)律中审编，量子是處在疊加狀態(tài)的撼班，也就是既可以是1，也可以是0.
一個(gè)量子比特垒酬，有兩種狀態(tài)砰嘁，既是0也是1件炉；
兩個(gè)量子比特，就有4種狀態(tài)矮湘，00斟冕，01，10缅阳，11磕蛇；
三個(gè)量子比特，就有8種化妝臺(tái)十办，001秀撇，010，100向族，110呵燕，101，011件相，111再扭，000，
對(duì)應(yīng)的夜矗，一個(gè)電子比特泛范，就是1種狀態(tài)，0或者1侯养；
2個(gè)電子比特敦跌，就是2種狀態(tài)；
3個(gè)電子比特逛揩，則是3種狀態(tài)柠傍；
如果量子比特和電子比特的數(shù)目都N，則量子比特的信息容量是電子比特的2的n次方倍辩稽。
其二惧笛、在提升信息處理速度的方面，減少物理資源逞泄、提升速度
其一患整、在經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)其中，問(wèn)題的增加是線性級(jí)別的喷众，而解決問(wèn)題需要的計(jì)算能力確實(shí)指數(shù)級(jí)別的各谚。
對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，因?yàn)榱孔邮钳B加態(tài)可以并行演化到千，解決問(wèn)題的速度與效率也是指數(shù)級(jí)別的昌渤，跟得上問(wèn)題難度的增長(zhǎng)。
其次憔四，量子因?yàn)檫€有個(gè)糾纏狀態(tài)膀息，即同生同死般眉，所以在數(shù)據(jù)同步方面，具有很大的優(yōu)勢(shì)潜支。
例如有10個(gè)地方的數(shù)據(jù)甸赃，都需要+1，如果用到經(jīng)典計(jì)算機(jī)冗酿，需要耗費(fèi)大量的資源去進(jìn)行時(shí)間上的同步埠对，而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，只要把這10個(gè)地方的量子比特做糾纏裁替，然后隨機(jī)+1就可以了鸠窗。
五、量子計(jì)算機(jī)是如何計(jì)算的胯究？
計(jì)算機(jī)中，存在著兩個(gè)區(qū)域躁绸，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和指令區(qū)域裕循。
例如計(jì)算2+4=6.
如果是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，先把2和4二進(jìn)制化分別存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中净刮，在把加號(hào)二進(jìn)制化剥哑，存儲(chǔ)到指令區(qū)域。
對(duì)于指令區(qū)域來(lái)說(shuō)淹父，為什么知道這個(gè)加號(hào)代表了加號(hào)呢株婴？那是因?yàn)樗械倪\(yùn)算都是依靠改變電流實(shí)現(xiàn)的。這些通過(guò)電流改變的硬件條件暑认，編織成了一個(gè)對(duì)照表困介，例如1.3A的電流，對(duì)應(yīng)的是加號(hào)蘸际，加號(hào)擇時(shí)001.每次運(yùn)算的時(shí)候座哩，只要把數(shù)據(jù)取的數(shù)據(jù)和指令區(qū)域的指令對(duì)照起來(lái)就可以了。
附注：我們說(shuō)的硬件不兼容粮彤，則是硬件上面的指令區(qū)不兼容根穷，例如在同一個(gè)加法運(yùn)算，在硬件A當(dāng)中是001导坟，在硬件B當(dāng)中是002屿良。
而在量子計(jì)算機(jī)當(dāng)中，2+4的運(yùn)算惫周，需要3個(gè)比特尘惧，當(dāng)2+4這個(gè)問(wèn)題輸入到系統(tǒng)是，就會(huì)把代表2的010和代表4的100疊加起來(lái)闯两，它們的概率都變成了100%褥伴，其余的6種狀態(tài)擇時(shí)0%谅将。此時(shí)數(shù)據(jù)去的存儲(chǔ)就成功了。
接下來(lái)是指令區(qū)重慢，如果我們發(fā)現(xiàn)把電流設(shè)置到0.1A饥臂，系統(tǒng)能讓2和4的50%疊加態(tài)發(fā)生變化，最后變成6的概率是100%似踱，這就完成了2+4=6的運(yùn)算隅熙。
這和經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)是沒(méi)有中間過(guò)程的核芽。
例如1+2+3+4囚戚，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要把1+2=3存儲(chǔ)下來(lái)，再去繼續(xù)相加轧简，而量子計(jì)算機(jī)可以把這幾個(gè)數(shù)字全部疊加在一起驰坊，只需要改變一次系統(tǒng)狀態(tài)，就能演化最終的結(jié)果哮独。
六拳芙、量子計(jì)算讀取最終結(jié)果
相比經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)，它的讀取結(jié)果是可以得到一組特定的輸出狀態(tài)皮璧。
而對(duì)于處在疊加態(tài)的量子比特舟扎，需要根據(jù)一定的規(guī)則把把它坍縮換成經(jīng)典狀態(tài)。
這個(gè)特定的規(guī)則悴务，則是反復(fù)計(jì)算睹限。同樣的輸入，我們反復(fù)計(jì)算得到坍縮成不同的計(jì)算結(jié)果讯檐，然后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)反向求得概率羡疗，最終得到正確答案。
那這里會(huì)有個(gè)問(wèn)題是别洪，如何保證正確結(jié)果是對(duì)的顺囊？
因?yàn)槔昧孔佑?jì)算機(jī)所解決的問(wèn)題，很可能答案是唯一的蕉拢，我們無(wú)法對(duì)比參照確定它是否是正確的特碳。
在這其中的解決辦法是，增加冗余信息晕换。
量子計(jì)算的結(jié)果坍縮成經(jīng)典電子狀態(tài)午乓，最終讀取都是靠統(tǒng)計(jì)學(xué)的求的概率。而增加冗余信息闸准，就是本來(lái)用1個(gè)比特來(lái)表示一份信息益愈，現(xiàn)在用3個(gè)比特來(lái)表示，最終按照少數(shù)服從多數(shù)的原則，能把錯(cuò)誤結(jié)果給糾正回來(lái)蒸其。這就是其中一種辦法敏释。
七、量子計(jì)算機(jī)真能做出來(lái)嗎摸袁？
算力=物理系統(tǒng)+算法钥顽，量子計(jì)算機(jī)是否能做出來(lái)，這個(gè)問(wèn)題其實(shí)可以拆分成兩個(gè)問(wèn)題靠汁，
第一蜂大、物理系統(tǒng)
決定一個(gè)計(jì)算機(jī)是否能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是能否找到和量子力學(xué)完美匹配的物理系統(tǒng)。像之前提到過(guò)的經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)蝶怔，它所采用的就是電子管奶浦、晶體管。而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)踢星，很多公司有很多方案澳叉。而在這些方案當(dāng)中，哪兒些是好的沐悦，是否有可以量化衡量的標(biāo)準(zhǔn)呢耳高？是有的。
1所踊、初始能力：即清零的能力，對(duì)應(yīng)到量子計(jì)算機(jī)當(dāng)中就是初始化概荷。在物理系統(tǒng)中秕岛，需要把比特處于同一種狀態(tài)，在現(xiàn)在的物理系統(tǒng)下误证，其實(shí)是減很難的事情继薛；
2、擴(kuò)展能力愈捅，即增加跟多的鏈子比特遏考；
3、可控能力蓝谨，即對(duì)于量子基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)候的精確程度灌具；
4、穩(wěn)定能力譬巫，是否能讓量子比特處于可控的坍縮咖楣、疊加狀態(tài)；
5芦昔、被測(cè)量能力：略诱贿。
以上，可以綜合成一個(gè)能力，即量子比特的數(shù)量珠十。
第二料扰、算法
量子計(jì)算的特性在于并行處理，算法必須能夠匹配量子力學(xué)的物理系統(tǒng)焙蹭，才能把這個(gè)量子計(jì)算機(jī)的潛力發(fā)揮到極致晒杈。
拿破解密碼來(lái)舉例，有個(gè)叫肖恩的發(fā)明了一種量子解密的方法壳嚎，叫做肖恩算法桐智，用來(lái)破解RSA協(xié)議的時(shí)候特別有用。
除此之外烟馅，還有種量子算法叫做Grover算法说庭，應(yīng)用在無(wú)序的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行搜索的量子算法。它能帶來(lái)搜索速度的提升郑趁，但是十分有限刊驴，只能帶來(lái)平方根級(jí)的程度，還沒(méi)有達(dá)到指數(shù)級(jí)的加速寡润、
例如說(shuō)本來(lái)需要10000年的運(yùn)算捆憎，加上平方根級(jí)的加速，需要155小時(shí)梭纹，如果是指數(shù)級(jí)的加速躲惰，則需要38秒；
另外变抽，比特幣的挖礦基礎(chǔ)其實(shí)就是基于無(wú)序數(shù)列找到需要的數(shù)據(jù)础拨，Grover算法能帶來(lái)提升，但是十分有限绍载。所以就算量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)用诡宗，比特幣的基礎(chǔ)也不會(huì)被破壞。
