从经典计算到量子计算

众所周知，经典计算机以比特（bit）为存储的信息单位，比特使用二进制，1个比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子计算机中，情况变得完全不同，量子计算机以量子比特（qubit）为信息单位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”。

基于叠加这一特性，量子比特在叠加状态下还可以是非二进制的，该状态在处理过程中相互作用，做到“既1又0”。这意味着，量子计算机可以叠加所有可能的“0”和“1”组合，让“1”和“0”的状态同时存在。正是这种特性使得量子计算机在某些应用中，理论上可以是经典计算机处理能力的好几倍。

经典计算机中的2位寄存器一次只能存储1个二进制数，而量子计算机中的2位量子比特寄存器可以同时保持所有4个状态的叠加。当量子比特的数量为 n 个时，量子处理器对 n 个量子位执行1个操作就相当于对经典位执行2 ⁿ 个操作，这使得量子计算机的处理速度大大提升。

根据量子力学，在微观世界中，能量是离散化的，就像不停地用显微镜放大斜面，最后发现所有的斜面都是由一小级一小级的阶梯组成的一样，量子并不是某种粒子，它指代的是微观世界中能量离散化的现象。量子系统在经过“测量”之后就会坍缩为经典状态，这就是“薛定谔的猫”的思想实验。当我们打开密闭容器后，猫就不再处于叠加状态，而是死或者活的唯一状态。同样，量子计算机在经过量子算法运算后，每次测量都会得到唯一确定的结果，且每次结果都有可能不相同。

另外，由于另一种奇怪的量子特性——纠缠，即使量子比特在物理上是分开的，但两个或多个量子物体的行为却是相互关联的。根据量子力学定律，无论是毫米、千米还是天文距离，这种模式都是一致的。当1个量子比特处于两个基态之间的叠加状态时，10个量子比特利用纠缠，可以处于1024个基态的叠加状态。

与经典计算机的线性不同，量子计算机的计算能力随着量子比特数量的增加呈指数增长。正是这种能力赋予了量子计算机同时处理大量结果的非凡能力。当处于未被观测的叠加状态时， n 个量子比特可以包含与2 ⁿ 个经典比特相同数量的信息。所以，4个量子比特相当于16个经典比特，这听起来可能不是一个很大的改进。但是16个量子比特却相当于65536个经典比特，300个量子比特所包含的状态比宇宙中估计的所有原子都要多，这将是个天文数字。

这种指数效应就是人们如此期待量子计算机的原因所在。可以说，量子计算机最大的特点就是速度快。以质因数分解为例，每个合数都可以写成几个质数相乘的形式，其中，每个质数都是这个合数的因数，把1个合数用质因数相乘的形式表示出来，就叫作分解质因数。例如，6可以分解为2和3两个质数。但如果数字很大，质因数分解就变成了一个很复杂的数学问题。1994年，为了分解一个129位的大数，研究人员同时动用了1600台高端计算机，花了8个月的时间才分解成功；但使用量子计算机只需1s就可以破解。