量子计算到底是啥？

“遇事不决，量子力学”，大概是很多人对于量子科技的第一印象。有些人认为这是骗人的玄学，有些人认为这是无所不能的未来科技。量子科技到底是啥？通过量子科技实现的量子计算到底强在哪？

简单来说，量子就是能表示物质特性的物质最小单元的统称。我们中学课本学到的分子、原子和电子其实都是量子的不同形式。比如，水分子就是水的量子。量子力学研究的就是这些最小单位的运动规律。量子科技就是研究如何把微观物质的运动规律运用到宏观生活的科学技术。

这项技术到底有什么神奇的地方呢？很多人可能听说过“薛定谔的猫”，就是那只既是生又是死的猫咪。这就是量子特征之一，叠加态。在宏观世界我们的状态都是确定的，也就是说，同一时间我们只能出现在一个地方。而在量子世界里，在不被观测的情况下，你可以既在北京又在上海，既在摸鱼又在工作。

另一个特征是纠缠态。简单来说就是，两个“纠缠”的量子会产生“心电感应”，不管隔多远，它们的状态会保持链接。比如，有两个纠缠的电子，你观测到其中一个电子在“下旋”，那么不管隔多远，另一个电子必定在“上旋”。就好比有一双手套，不管这两只手套在哪，如果你手上的是左手套，那么另外一只必定是“右手套”。

量子计算机就是把这两项特性运用在计算领域的产物。

传统计算机处理数据都是靠芯片中晶体管的“开关”来实现，“开”代表1，“关”代表0。这就是我们说的比特，一个晶体管代表一个比特位。同一时间，一个比特位只能表示1或0。也就是说，假如电脑芯片中只有2个晶体管，它们就只能表示00、01、10、11其中一种。如果把晶体管换成量子，也就是量子比特，情况就不一样了。根据量子的叠加态的特性，一个量子比特既可以是1，也可以是0。所以两个量子比特可以同时表示00、01、10、11。信息量一下翻了4倍。

传统计算机中用于计算的比特相当于表演团队的成员，在表演时每个成员都有明确的角色，而量子比特可以同时把唱、跳、Rap、篮球全都搞定。

量子计算机还有一项传统计算机没有的技能，并行运算。拿破解密码来说，破解一个4位数的数字密码，传统的操作方式是线性运算。通俗讲就是，一个个试，从0000试到9999。运气不好密码刚好是9999，就得试一万次。而使用并行运算就可以同时试多个密码。量子比特越多，并行处理的运算越多。

有了并行计算，密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等需要大规模计算的领域都会有飞跃式发展。

2019年9月，谷歌公司研制了一个包含53个量子比特的量子芯片，执行一个特定的计算任务用了3分20秒，而对于同样的任务，采用目前最强的超级计算机并且经过理论优化后，完成这项任务也需要2.5天。我国目前研发出的量子计算机系统，计算能力比谷歌的还要强100万倍。

发展量子计算机，一方面是因为它颠覆的计算能力，另一方面量子计算机其实是突破芯片物理极限的一种方式。按照目前集成电路的发展，在可预见的未来，芯片的性能就会遇到物理极限。当硅基芯片突破1nm之后，量子隧穿效应将使芯片失效。

除了看起来离我们的生活还有些距离的量子计算机之外，量子科技其实还可以应用到很多领域，原子弹、激光、核磁共振、晶体管等技术都是量子科技的产物。目前我国已经开通了世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，实现世界首次洲际量子保密通信。量子通信与量子计算机构成的“量子互联网”，可以让我们的生活更加智能、安全。此外，更加精密的量子测量在科研、医疗、能源、灾害防御等领域都能派上大用场。未来，我们生活的方方面面都可能离不开量子科技。