你們有沒有看過《星際穿越》？在克里斯托弗·諾蘭執(zhí)導(dǎo)的這部電影中，量子糾纏被賦予了連接不同時空的神秘能力。在《黑客帝國》中，量子加密技術(shù)被用來保護(hù)虛擬世界的穩(wěn)定和安全。在《流浪地球2》中，提到了智能量子計算機(jī)——MOSS，它不僅擁有超強(qiáng)的算力，還有自我意識、自我迭代和自我更新的能力，負(fù)責(zé)管理空間站事務(wù)，是“流浪地球”計劃和“火種”計劃的監(jiān)督者和執(zhí)行者。

在科幻的世界里，量子計算以其神秘且強(qiáng)大的能力令人著迷。但在現(xiàn)實生活中，量子計算同樣在悄然改變著世界。今天，就讓我們一起揭秘量子計算，看看它如何在科幻與現(xiàn)實中交匯。

01、什么是量子計算

量子計算的概念起源于量子力學(xué)，它利用量子比特（qubit）作為計算的基本單元，通過操控量子態(tài)的疊加和糾纏等特性，實現(xiàn)高效的信息處理。

首先，我們知道傳統(tǒng)計算機(jī)使用比特（bit）來存儲和處理信息，比特只有兩種狀態(tài)：0或1。但量子計算則不同，它使用量子比特（qubit）來存儲和處理信息。

想象一下，量子比特就像是一個可以旋轉(zhuǎn)的硬幣，它不僅可以是正面（0）或反面（1），還可以同時是正面和反面！這就是所謂的“疊加態(tài)”。也就是說，量子比特可以同時存儲多個狀態(tài)的信息，而不僅僅是單一的0或1。

此外，量子比特還有一個神奇的特性叫做“糾纏”。簡單來說，就是當(dāng)你對其中一個量子比特進(jìn)行操作時，另一個與之糾纏的量子比特也會立即受到影響，無論它們之間相隔多遠(yuǎn)。這種糾纏關(guān)系使得量子計算在處理某些問題時能夠比傳統(tǒng)計算機(jī)更加高效。

那么，量子計算是如何利用這些特性來實現(xiàn)高效信息處理的呢？簡單來說，就是通過精心設(shè)計的算法和操控技術(shù)，讓量子比特在疊加和糾纏的狀態(tài)下進(jìn)行復(fù)雜的運算和變換，從而快速解決一些傳統(tǒng)計算機(jī)難以處理的問題。

02、量子計算機(jī)如何工作

當(dāng)我們說量子計算機(jī)工作時，可以想象它像一個神奇的工廠，而這個工廠里運行的不是普通的材料，而是量子比特——它們能同時是多種狀態(tài)，這就是“疊加”。想象一下，如果你在一個路口，你可能是往左走、往右走或者站著不動，但在量子世界里，你可以同時是這三種狀態(tài)！

接下來，這個工廠里還有一套特殊的機(jī)器——量子門。這些機(jī)器不是用來加工產(chǎn)品的，而是用來改變量子比特的狀態(tài)的。比如，你可以用一個量子門將一個量子比特從“向左走”的狀態(tài)變成“向右走”的狀態(tài)，或者讓它同時保持兩種狀態(tài)。

但量子計算機(jī)最神奇的地方在于它的“糾纏”特性。想象一下你有兩個雙胞胎，無論他們相隔多遠(yuǎn)，一個感冒了，另一個也會立刻知道。在量子世界里，這樣的“雙胞胎”就是糾纏的量子比特。如果你改變其中一個的狀態(tài)，另一個也會立刻改變，即使它們之間隔著整個宇宙！

現(xiàn)在，把這些想象結(jié)合起來。量子計算機(jī)利用量子比特的疊加特性，可以同時處理多個問題，就像同時走過所有可能的路口。然后，通過精心設(shè)計的量子門操作，它可以在這些可能性之間快速切換和計算。而當(dāng)糾纏的量子比特被用來計算時，它們之間可以互相傳遞信息，使計算速度大大加快。

簡單來說，量子計算機(jī)就像是一個能夠同時處理多個問題、快速切換和傳遞信息的神奇工廠。這種能力使得量子計算機(jī)在解決某些問題時比傳統(tǒng)計算機(jī)更加高效。

03、量子計算機(jī)和傳統(tǒng)計算機(jī)有什么區(qū)別

• 而量子計算機(jī)可以同時做很多事情。就像你有一個超級助手，可以同時幫你做加法、減法、乘法和除法，而且速度非常快。

傳統(tǒng)計算機(jī)就像我們的計算器一樣，每次只能做一件事情。例如，當(dāng)你告訴它要加一個數(shù)，它就會專注于這個任務(wù)，直到完成。

工作方式不同

信息存儲不同

• 傳統(tǒng)計算機(jī)使用比特（bit）來存儲信息，每個比特只能表示0或1。但量子計算機(jī)使用量子比特（qubit）來存儲信息，一個量子比特可以同時表示0和1，就像它同時存在于兩個地方一樣。這使得量子計算機(jī)能夠存儲和處理更多的信息。

處理速度不同

由于量子計算機(jī)可以同時處理多個任務(wù)，所以它的處理速度非常快。有些問題，傳統(tǒng)計算機(jī)需要花費很長時間才能解決，但量子計算機(jī)可以在很短的時間內(nèi)完成。

傳統(tǒng)計算機(jī)已經(jīng)在我們生活的方方面面都得到了廣泛應(yīng)用。而量子計算機(jī)由于其獨特的工作方式，有望在未來解決一些傳統(tǒng)計算機(jī)無法解決的問題，比如復(fù)雜的化學(xué)模擬、密碼破譯等。

應(yīng)用前景不同

傳統(tǒng)計算機(jī)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟和穩(wěn)定。而量子計算機(jī)目前還處在發(fā)展階段，面臨著很多技術(shù)挑戰(zhàn)，比如如何穩(wěn)定地保持量子比特的狀態(tài)、如何降低噪音干擾等。

技術(shù)挑戰(zhàn)不同

04、量子計算的應(yīng)用領(lǐng)域

• 密碼破解量子計算利用Shor算法，能在多項式時間內(nèi)解決大整數(shù)分解和離散對數(shù)求解等復(fù)雜數(shù)學(xué)問題，因此可以快速破解廣泛使用的RSA、ECC、ElGamal等公鑰密碼。這對當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)安全體系構(gòu)成了挑戰(zhàn)，但也推動了抗量子密碼算法（后量子密碼）的研究和發(fā)展。
• 人工智能量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用量子力學(xué)中的糾纏特性來實現(xiàn)信息的并行處理，加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和推理過程，從而提高人工智能系統(tǒng)的性能。量子機(jī)器學(xué)習(xí)可以利用量子計算機(jī)的并行計算和優(yōu)化算法來加速訓(xùn)練過程，提高模型的準(zhǔn)確性和泛化能力。
• 生物醫(yī)藥在生物醫(yī)藥研究中，量子計算可以用于解決蛋白質(zhì)與藥物篩選、基因組比對和生物信息處理等問題。例如，通過模擬量子機(jī)制和相互作用，預(yù)測蛋白質(zhì)與藥物分子的相互作用強(qiáng)度，幫助藥物設(shè)計和藥效評估。

量子信息技術(shù)還可以用于解決生物分子的結(jié)構(gòu)研究、蛋白質(zhì)折疊模擬和基因組解讀等問題，為生物醫(yī)藥研究提供新的手段和方法。

• 金融工程量子計算在金融領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在復(fù)雜的金融建模、投資組合定價、衍生品定價等方面。例如，通過處理大量數(shù)據(jù)和檢測經(jīng)典計算機(jī)可能難以或不可能檢測到的模式，量子計算在欺詐檢測方面提供重大優(yōu)勢。

量子計算還可以幫助銀行的網(wǎng)絡(luò)安全工作，為敏感數(shù)據(jù)提供更強(qiáng)的加密，確保數(shù)據(jù)泄露和其他類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊不會導(dǎo)致財務(wù)損失。

• 量子計算有助于解決航空行業(yè)面臨的一些最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，從基礎(chǔ)材料科學(xué)研究、機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化到復(fù)雜的系統(tǒng)優(yōu)化。例如，利用量子計算優(yōu)化供應(yīng)鏈、交通（包括飛機(jī)、火車、汽車等）線路和物流，從而降低成本。

航空航天與交通：

• 化學(xué)計算

量子計算在化學(xué)計算中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在分子模擬、反應(yīng)路徑預(yù)測、材料設(shè)計和量子力學(xué)模擬等方面。例如，通過模擬分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，量子計算可以幫助科學(xué)家了解分子的行為以及它們與其他物質(zhì)之間的相互作用，對合成新的藥物、設(shè)計新的材料和優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)過程具有重要意義。

• 量子通信

量子通信利用量子態(tài)的傳輸，可以實現(xiàn)量子比特之間的高效通信，并確保信息的安全性和完整性。例如，量子通信可以實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，為加密通信提供了更加安全可靠的手段，抵御了傳統(tǒng)加密方式的攻擊。

05、中國在量子計算領(lǐng)域的突破超導(dǎo)量子計算機(jī)的研發(fā)：

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和本源量子計算科技（合肥）股份有限公司等機(jī)構(gòu)在超導(dǎo)量子計算機(jī)的研發(fā)上取得了重要進(jìn)展。本源量子發(fā)布了SL1000型國產(chǎn)稀釋制冷機(jī)，這是中國首次自主研發(fā)的達(dá)到國際先進(jìn)水平的稀釋制冷機(jī)，可為超導(dǎo)量子計算芯片提供接近絕對零度的極低溫運行環(huán)境。

本源量子還成功交付了超導(dǎo)量子計算機(jī)給用戶使用，使中國成為世界上第三個具備量子計算機(jī)整機(jī)交付能力的國家。

量子比特的規(guī)模與性能提升：中國科研團(tuán)隊成功制備了51比特糾纏態(tài)，展示了在量子比特規(guī)模上的突破。

北京量子信息科學(xué)研究院發(fā)布了136比特Quafu量子計算云平臺，進(jìn)一步提升了量子計算的規(guī)模和性能。

量子計算模擬器的研發(fā)：

中國科學(xué)家成功模擬了一個100量子比特的量子計算機(jī)，這是全球第一個100量子比特的量子計算機(jī)模擬器，展示了中國在量子計算模擬技術(shù)上的領(lǐng)先地位。

量子計算技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用：中國在量子通信領(lǐng)域也取得了重要進(jìn)展，如“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的成功發(fā)射和“京滬干線”量子通信骨干網(wǎng)的建設(shè)，為量子計算技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用提供了重要支撐。

今天，量子計算技術(shù)的實際應(yīng)用也將逐漸滲透到我們的日常生活中，成為推動社會進(jìn)步的重要力量。相信在不遠(yuǎn)的將來，量子計算將成為連接科幻與現(xiàn)實的橋梁，引領(lǐng)我們走向一個更加美好的未來！

本文來源：元物質(zhì)智能