量子计算机有多强？核心原理与应用

你还认为你的支付过程绝对安全吗？随着世界上第一台量子计算机的问世，传统计算机在保密过程中的安全性正面临着严峻挑战。什么是量子计算机？你对它的了解又有多少呢？一提到量子，你可能首先想到的就是量子力学中的各种理论，薛定谔的猫、量子纠缠等等。而正是得益于这些理论，量子计算机才具有了可能颠覆传统计算机的强大能力。让我们从比特开始，一步步来揭开量子计算机的神秘面纱。

量子计算机的核心原理

比特是信息量最小的单位，其含义是一个二进制数，即0或1。它在相同所写的信息论中被第一次正式使用。在经典计算机中，我们通常使用电路上的高低电平来表示1和0这2个数。如果把它比作一个开关，那就只有开和关两种状态，而在同一时刻，它也只能表示开或关的其中一种状态。

量子比特是量子计算机中的比特，它是一个最简单的量子系统。一个量子比特也可以用零和一来表示，但与经典比特的不同在于它可以处于零和一的叠加状态。

那我们该如何理解这种叠加状态呢？著名物理学家薛定谔曾提出过一个思想实验，薛定谔的猫，在一个盒子里放一只猫和一个毒气瓶，它有50%的概率会被放射性物质衰变所释放的有毒物质杀死，还有50%的概率因为放射性物质不会衰变而存活下来。根据常识，即使我们不去观察猫的状态，它也一定会处于生或死的某种单一状态中。而在量子的世界中，只有观察者打开盒子，猫才会以确定的状态出现，否则它将一直处于既生又死这种无法想象的状态中。

量子计算的能力与未来应用

让我们回到量子计算中来，量子比特也满足这样的量子不确定性原理，它可以处在既是零又是一的状态，只有当我们去观测它时，才会变成一个确定的状态。正是由于量子叠加的原理，才为量子并行计算提供了基础，同时也提供了加速经典算法的潜能。

这里我们举个简单的例子来说明量子并行计算的基本思想。对于某个运算FX我们要计算得到F0和F1。在经典计算机中我们需要运行两次，而在量子计算机中我们只需要把叠加态作为输入，就可以通过一次运算得到F0和F1。虽然量子并行计算在理论上还面临着许多困难，但仍有一些量子算法巧妙的利用了这种思想，并成功的对经典算法进行了加速。比如输入算法和growth算法等等。

其中输入算法具有非常重要的意义，它能够实现对整数分解问题的加速。要知道此问题在经典计算机上是一项非常耗时的任务，而目前在计算机上被广泛使用的公钥加密算法RSA就是基于这类问题的复杂性提出的。在量子计算机上运行的输入算法，虽然快速求解这类问题的能力比起传统已知最快的因数分解算法实现了指数加速。虽然由于硬件条件的限制，目前的量子计算机还只能分解很小的整数，但RSA不再安全或许也只是时间问题。

而量子计算机所具备的强大能力，未来可能会在更多领域中得到应用。过去的几十年中，量子计算领域发展极为迅猛。在百度世界2020大会上，百度量子平台用技术开启了量子时代的大门，依托量卖、量讲、量子弗等自主可控的新型AI基础设施，持续推进的人工智能与量子计算深度融合，从18年成立量子计算研究所，再到今年被外媒评为top ten量子计算公司，百度在朝着人人皆可量子的愿景不断前行。

在量子计算的加持下，人类科学还能发展成什么样？让未来告诉我们。

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