什么是量子计算机 关于量子计算机的简要介绍
本文核心词：
2020年12月4日，中国科学技术大学宣布，我国已经构建出了新一台量子计算机原型机。这台量子计算机被命名为“九章”，目的是为了纪念中国古代的一部数学专著《九章算术》。这台计算机不仅是由中国人自主构建，而且它的运算能力更是震惊全世界，原因是：“这台计算机的计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍”！“九章”也就成为了目前在世界上计算速度最快的计算机。这是什么概念？这就是说“九章”200秒完成的计算，让世界上最快的超级计算机也要算6亿年。这种实力差距令人瞠目结舌。那么，一台计算机是怎么做到如此快的计算速度的呢？它与普通计算机有什么不同呢？
1：量子
要想搞懂量子计算机，就要清楚什么是量子。量子最初的起源是德国物理学家普朗克提出的“能量子”一词，是指一种假设。一种振动带电粒子，假设它所携带的能量不是连续的，而是分成一份份的，那么每一份能量就是一个能量子，能量子就是能量的最小单位（能量ε=普朗克常数h·频率v）。这种假设也就成为了一个开端，很多科学家通过引用他的这一观点，得出非常多的结论，比如爱因斯坦。而在今天，量子被定义为“表现出某物质或某物理特性的最小单位”，是一种概念，而不是真正的粒子。由此便衍生出了一门学科——量子力学。而量子计算机正是依靠遵循量子力学规律实现的。它处理、计算的是量子信息，运行靠量子算法，所以称为“量子计算机”。
2：量子位
如今，我们每个家庭都有一台电脑。它能用来做很多事情，但那么多的功能都是基于3个基本功能——处理数据、系统控制以及存储数据。电脑的芯片由模块组成，模块又由逻辑门组成，逻辑门又由晶体管组成。晶体管就是最基本的处理数据单元，用来控制信息（比特）的通过。比特就是0或1，通过排列组合来呈现复杂的信息。晶体管组成逻辑门，通过一些简单的运算法则处理比特。之后再组合逻辑门电路，就能构成一些有用的模块，比如用来做加法运算等，之后再做乘法，然后就几乎可以做任何事了。所以，其实电脑只是在做并不困难的基础运算，只是有些复杂，就像一群做一年级数学题的7岁小孩子一样，只要规模够大，就可以处理任何数据。
然而，当今的电脑中，电子元件晶体管已经小到了极限，只有7nm，比HIV病毒还短14倍。这时我们遇到了瓶颈——如果我们进一步缩小晶体管，那么就会产生量子隧穿效应，无法再控制比特的通过。于是，人们开始尝试制造量子计算机。量子计算机的最小单位是量子位。与晶体管类似，量子位也可以表示0或1 。量子位可以由二能级系统组成，比如一个自旋的光子。而量子位最厉害的一点在于——它可以同时处于0和1两种状态中的任意一种状态，既是0又是1，这被称为叠加状态。只有在我们尝试测试它的值，才能得到确切的答案。这种叠加态就改变了计算规则。
3：惊人的效率
举个例子：在普通电脑中，每个比特只能显示0或1中的一种，那么4个比特只能表示24 =16种组合的一种，就是1/16的效率。而每个量子位却可以同时表示0或1，那么4个量子态就可以同时表示24=16种组合，效率为100%！每增加一个量子位，能表示的数据量就呈几何倍增长。如果有n个量子位，就能表示2n个数据。仅20个量子位，就能存储近百万个数据。同时，量子位还有一个量子力学中的奇怪的特性——量子纠缠特性。一个量子位的任何动态都会瞬间体现在另一个相关联的量子位上。因此，我们只需知道其中一个量子位的状态，另一个量子的状态就肯定是与之相反的，根本不需要观测。就这样，恰当地利用量子纠缠与叠加状态的特性，运算效率就会远高于一般电脑。这就是“九章”计算速度快的原因，因为它成功控制了76个量子位。
4：量子计算机的用途
量子计算机不是普通的计算机，想让它商业化很难，但在某些领域，他的优势却很大。比如数据检索，如果让传统电脑在数据库中寻找什么东西，就需要依次检索。然而，量子计算机通过匹配算法所节省的时间是指数级的，可以在短短一瞬间完成检索。量子计算机在安全领域有着非常重要的应用，例如收发邮件和使用银行数据时，能够确保我们的信息安全。另一个用途是仿真模拟。传统计算机在模拟量子现象的运算需要消耗海量的时间与资源，即使是大一点的分子的运算，也会缺乏精度。所以为什么不用量子计算机来模拟量子运动呢？这也可以使研究大分子有机物时更加准确，或许能引发医药界的革命。
量子计算机有着无穷的潜力，这或许是带领人类文明进一步飞跃的关键。现在，人们也仅仅是向前走出第一步，但是，也许再过几十年，这种潜力无穷的计算机就能改变人们的世界。
（素材来源：新华网、bilibili网专栏《量子力学（一）量子是个什么玩意？》、Bilibili网视频《【Kurzgesagt】量子计算机简介》）
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