量子物理的重要應用，計算速度呈指數倍增長，量子計算機是什麼？

量子不是具體的物質，而是物質最小單位的統稱，在這個“萬物皆可量子”的時代，相信很多人都聽說過量子計算機，量子計算機給人最直觀的感受就是“快”，那麼量子計算機到底是什麼？而它又爲什麼能進行那麼快的計算？

量子計算機與傳統計算機

量子計算機是一種基於量子物理學原理來實現計算的新型計算機，簡單來說，量子計算機的硬件電路是量子電路，運行算法是量子算法，量子計算機利用製備和控制量子比特來模擬和存儲信息。

傳統計算機的硬件電路是數字電路，數字電路上有許多邏輯門，如與門、或門、非門等，邏輯門由晶體管組成。高低電平通過邏輯門後產生高電平或低電平的信號，產生的高或低的信號相當於二進制中的1或0，比特就是表示1或0的電脈衝或光脈衝流。

傳統計算機利用二進制（0或1）來儲存信息，手機電腦上的所有視頻、音樂都是一個由二進制數字組成的長串。數字電路系統進行信號處理，信號只有0和1兩個狀態，所以它的抗干擾能力很強。

量子計算機的量子電路由量子門作爲基礎單元，量子門類似於邏輯門，輸入態可以轉化爲輸出態。量子門是可逆的，即可由輸出推出輸入，但是邏輯門不一定可逆，如與門輸出爲0，輸入既可是1和0，也可是0和0。

量子比特是量子門的操作對象，量子比特的物理載體通常是亞原子粒子，如光子。量子計算機存儲信息使用的是量子比特，在同一時刻一個量子比特可以同時表示0和1，量子比特可以是一種中間態。

量子計算機的強大

量子計算機的基本結構與傳統計算機相似，都有控制系統、軟件系統、芯片、程序和顯示器這幾大塊，但是量子計算機的計算能力卻遠遠高於傳統計算機，是因爲兩者的計算方式不同，量子比特的疊加性和糾纏性賦予了量子計算機強大的計算能力。

在傳統計算機中，一比特只能是一個確定的數，即0或1，而量子比特是不確定的，一量子比特既可以是0，也可以是1，還可以是0和1的疊加態。量子比特不是一個具體的數，而是一個概率，代表所有可能出現數據的出現概率。

正是量子比特具有疊加態的特性，使得量子計算機能夠實現並行運算。例如兩比特的傳統計算機一次只能處理00、01、10和11中的一個，全部處理完需要操作4次，而兩量子比特的量子計算機一次性就可以解決。

每增加一個量子比特，量子計算機的計算能力就呈2的指數倍增長。傳統計算機需要通過增加多核心來提升計算能力，10個量子比特的量子計算機一次性就可以處理210個信息，這個計算速度是傳統計算機所不能比擬的。

如果一個量子比特的狀態發生改變，與它發生糾纏的另一個量子比特的狀態也會發生相應的改變，並且距離不會影響這種改變。量子糾纏讓空間獨立的量子之間實現狀態共享，能夠產生超級疊加，進一步加強計算能力。

量子計算機的應用

“九章”是我國在2020年創建的一臺具有76個光子的量子計算機，當時超級計算機要花6億年計算的問題它只用花200秒就可以解決，計算速度是超級計算機計算速度的100萬億倍，實現了計算速度的碾壓。

無論是材料科學還是生物醫療，都需要對物質的微觀結構進行精準預測，這會產生大量的計算量，量子計算機可以很好地解決這些問題。在量子計算機上可進行大量快速的動態模擬，減少材料和藥物的開發時間。

信息加密方式也會因量子計算機而改變，傳統加密方式利用的是公鑰和私鑰，這種加密方式容易被破解，但是量子計算機由於具有天然的不確定性，可以確保通信雙方在不被竊聽的情況下進行通訊。

雖然量子計算機擁有傳統計算機所沒有的巨大優勢，但是量子計算機也有缺點。量子比特保持量子態很難，極易受到環境影響而使得量子行爲衰減甚至消失，所以量子計算機比傳統計算機更容易出錯。

未來，即使實現通用量子計算機的普及，傳統計算機也不會被量子計算機完全取代，對於簡單問題的計算，量子計算機不如傳統計算機穩定，量子計算機將會被更多的用於複雜的量子物理計算。