量子计算的原理是什么?量子计算神奇之处在哪里？

谷歌：我们用了200秒完成了超级计算机一万年的计算试验!

IBM：别扯了!你测试的算法超级计算机只需要2.5天!

谷歌：……(- -!)

想必这几天我们都看到了这样的新闻，谷歌与IBM在在几年前就已经投入资金研发量子计算，但至今依然没有大的进展，量子计算为何如此难以突破，其难点又在哪里?这篇文章将简单带你探秘量子计算的神秘之处。

什么是量子计算?量子计算的原理是什么?

普通计算机的调取指令使用的是二进制ASCII码，其原始口令为二进制0和1来表达，我们所有的指令集都会换算成这两个数字进行操控，其最小单位为bit表示。指令集表示出来即为011011101001010011这种，是一种线性的信号流。

而量子比特的计算方式与传统计算机的计算方式并不相同，量子计算的存储单位为晶体管，并非超大规模集成电路，所以在单位计算上最小单位是量子比特为单位，这些单位被嵌入以芯片中用于处理信息，在芯片上的晶体管数量越多，也就表明这台量子计算机的处理能力越强。

一个量子比特可以同时表示0和1这两个数字，而两个量子比特则可以表示0、1、2、3四个数字，四个量子比特可以以此类推0、1、2……14、15这十六个数字，这个公式是按照2的N次方进行累计。所以每增加一个比特量子，量子计算机的性能就会以惊人的指数级的方式进行增长。目前已知的最大量子结构计算机是谷歌的53个超导量子比特，也就是综合计算了2的53次方的数据。

如何理解量子计算的处理速度?

这里我想暂时引用一个简单的加密数据模型，在传统的加密解密当中，存在着两种不同的加密模型，即对称密码模式与非对称密码模式，对称密码模式非常好解释，比如在第二次世界大战时使用的摩尔斯电码，再比如特定代码，只有加密者A与解密者B同时依照密码表来进行加密与解密，两个人同为加密者，也可以同为解密者。不过这种对称加密方式不适合量子计算，我们要挑战更高难度的非对称加密方式。

非对称加密方式是加密者A设定密码之后，将加密文件授权给解密者B，只有解密者B拿到加密者A的key才能顺利打开文件，而在传输过程当中，被偷窃者C捕获，偷窃者C想要打开文件包，就必须通过暴力破解的方式对密码的逐一字段进行尝试。这也是我们经常遇到的非对称密码。

试想一下，如果你在不经意间获取到了一个RAR压缩包，而这个压缩包里面有重多不可告人的秘密时。你只有两种方式能够打开压缩包，即，通过抓住加密者A进行严刑拷打，让他说出加密包key，而另一种则是通过字典的方式进行秘密的暴利破解。而这种方式也是最复杂最要命的一种方式。

传统计算机密码拥有以下几个模式，英文大写、英文小写、数字、特殊字符，而变量集在于密码的长度N。传统互联网密码的通用长度在6-12位之间，但不乏更长的密码存在。也就是说如果想要破解这个密码，就需要通过字典尝试999999的四次方，如果需要破解12位密码的话则需要999999999999的四次方，如此巨大的运算，需要进行一个一个数字填充才行，破解难度巨大，且通常需要计算机24小时不关机的状态下几天几个月几年甚至十几年才能破解出来，破解难度之大难以想象。

而量子计算的运作原理不同，它不会进行线性的密码探测，而会像一个分身法师一样，进行分裂化的破解，即一个密码区域字符有可能是0-9、A-Z、a-z以及特殊字符中的任意一个。在不观测的状态下，他们都是有可能的出现的正确密码。而开始观测之后，量子计算的运算方式会同时在极短的时间内释放0-9、A-Z、a-z在内的所有字符，并同时模拟在六位数字密码上进行同时匹配。匹配正确后，仅正确的密码会出现，试错运算会自动消失。在同一设定条件下，有且只有一组密码与之匹配。如果大家读过量子物理，了解过量子纠缠中“薛定谔的猫”理论，此解释会相对容易理解。

那么谷歌真的实现了量子霸权了吗?

其实从消息的角度，笔者觉得霸权两个字是媒体过渡炒作的产物，量子计算虽然是具有革命性且能够突破现有计算模式的，但远远还没有符合霸权这个定义。首先它应该是具有垄断性的且不可挑战的。但事实上，研发量子计算的企业可远远不止谷歌一家。

互联网科技与全球头部企业都有对于量子计算的相关研究，像空客、阿里巴巴、美国AT&T、百度、谷歌、IBM、英特尔、微软等公司都成立了量子计算研究所，而中国的神威太湖之光与天河二号想必大家也是耳熟能详的。目前全球排名第一的是美国橡树岭旗下的名为Summit超级量子计算机。性能突破200PFlops，神威太湖之光的两倍性能，也是已知地表最强的计算设备。

但恰恰出现问题的是谷歌对媒体宣称的实现量子霸权，仅为理论构思，并没有真正得到验证，文章来源于谷歌研究人员向NASA提供的学术论文当中出现的，但随后，这篇论文被删，谷歌与NASA也拒绝承认论文的真实性。所以从这里可以断定，谷歌量子霸权事件其实只是一个乌龙!

量子计算真的离我们很远吗?

量子计算主要适配于通用模型的设计，具备大型、容错和通用的三个特性，普通人很难接触到量子计算机，但我们所有人能享有量子计算带来的特定领域的研发收益。这一点金融资本比我们普通人的嗅觉更为敏感。

量子计算应用于智能医疗、金融投资，环境工程，网络安全，云计算人工智能等领域，用来为特定领域提供有效的解决方案，而各国也为此投入了巨资入局，欧盟2018年投入了10亿欧元实施“量子旗舰”计划，牛津大学投资2.5亿成立量子研究中心。荷兰1.4亿美元投资研究量子计算，日本3.6亿美元，加拿大2.1亿美元。而中国的阿里巴巴、百度、腾讯、以及国际超级计算机中心等部门与机构纷纷入局，未来的量子计算将会在未来十年呈现出一个全新的格局。

笔者坚信一点，未来量子计算不会取代超大规模集成电路模式的传统计算。而是会形成共生的形态，量子计算研究通用问题，大数据以及环境工程模型迭代问题，在垂直领域发力，而传统计算机则依然会在民用领域占据主导地位。就如同现在的手机迭代速度如此之快，依然没有替代电脑成为生产力的主要工具一样。量子技术还有很长的路要走，也许也会成为下一轮工业革命的拐点。

关键词： 量子计算