量子计算机是个什么玩意？
柏拉图曾主张“真实的世界”只存在我们的想像之中，我们不能确定自己是真实的还是虚幻的。正如电影《异次元骇客》中演绎得那般，在科技发达的时代，科学家们可以通过强大的计算机虚拟出一个城市，虚拟城市中的科学家又虚拟出一个城市。不管是第一层虚拟或者第二层虚拟，其中的人类生活得怡然自得，他们有思想，有感觉。蓝色的天空悬挂着太阳，白色的云朵飘在空中。没有人去怀疑世界的真实性，完全不知道自己是个计算机的AI。
事实上，完成如此巨大模拟并不是一件容易的事情。一个人类个体本身所具有的全部特点、微小的变化以及本身细胞之间的各种间接的作用联系，还有环境温度、大气变化等等将是一个难以估量的庞大数据，通用计算机将很难实现完全模拟，这就需要量子计算机来完成。其实在前不久，谷歌公司发布了基于浏览器的量子计算机模拟器，那么量子计算机到底为何物呢？让我们一起走近量子计算机，揭开它神秘的面纱。
2011年5月11日，D-Wave发布了一款号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备D-Wave One，但D-Wave是否真的实现了量子计算，还未得到学术界广泛认同
人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间注1而数据量也变得异常庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。早在1982年，颇有远见的美国著名物理物学家理查德·费曼在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。紧接其后，1985年，英国物理学家大卫·杜斯提出了量子图灵机模型 。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生了，人类很可能已经迈上了一个新的台阶。
D-Wave One
量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子力学中的基本规律主要包括不确定原理注2、对应原理注3、协并原理注4和波尔理论注5等。量子力学的应用在生活中还是相对常见，如半导体材料为主的电子产品（电子的能级跃迁），通过原子特徵光谱线来分析物质的组成（化验、天文学领域的应用），激光刻录光盘，核磁共振等等。
为了更好地理解量子计算机，我们可以把经典计算机从物理上描述为对输入输出信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。相对于量子计算机而言，经典计算所有的二进制输入输出态均相互正交注6。量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态注7，其相互之间通常不正交。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统[称为量子比特（qubits）]。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性注8。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算，也是量子计算机最重要的优越性。
D-Wave One的量子芯片
事实上，实现对微观量子态的操纵确实太困难，迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但这并不能妨碍人们进行大胆地探索与设想，也许不久的将来量子计算机就会出现在世人面前，在闪光灯前自主回答记者提出的奇怪问题。量子计算机还是很有前途的，比如在密码破解上有着巨大潜力。当今主流的非对称（公钥）加密算法，如RSA加密算法注9，大多数都是基于大整数的因式分解或者有限域上的离散指数的计算这两个数学难题。他们的破解难度也就依赖于解决这些问题的效率。在传统计算机上，要求解这两个数学难题，花费时间为指数时间（即破解时间随着公钥长度的增长以指数级增长），这在实际应用中是无法接受的，比如在在战争中破解敌方经过加密处理的通讯，当一场战争已经接结束，一方的科学家才兴奋地将破解的密钥上交上到垂头丧气的上司手中，这还有什么实际意义呢！
而为量子计算机量身定做的秀尔算法可以在多项式时间内（即破解时间随着公钥长度的增长以k次方的速度增长，其中，k为与公钥长度无关的常数）进行整数因式分解或者离散对数计算，从而为RSA、离散对数加密算法的破解提供可能。这个潜在的功能使得量子计算机可以破解最安全的密码，世界各地银行、政府和军队都会对自己设定的密码失去安全感，目前世界上没有任何技术可以抵挡量子计算机的解密攻击。根据美国国家安全局前雇员斯诺登曝光的文件，美国国安局（NSA）正在研发一种用于破解密码的量子计算机。发达国家一定不甘落后，不会眼睁睁地等待信息安全之门被攻破，出于自身的利益考量，也许先发制人才是上策。
在量子计算机的研究方面，我国也取得了一定的突破。2013年6月8日，由中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。相关成果发表在2013年6月7日出版的《物理评论快报》上，审稿人评价“实验工作新颖而且重要”，认为“这个算法是量子信息技术最有前途的应用之一”。这让国外相关领域的研究人员对我国这一领域科研团队的实力刮目相看，也让国人欢欣鼓舞。据介绍，线性方程组广泛应用于几乎每一个科学和工程领域。日常的气象预报，就需要建立并求解包含百万变量的线性方程组，来实现对大气中温度、气压、湿度等物理参数的模拟和预测。而高准确度的气象预报则需要求解具有海量数据的方程组，假使求解一个亿亿亿级变量的方程组，即便是用现在世界上最快的超级计算机也至少需要几百年。
作为量子计算机关键的量子纠缠实验
除此之外，这将使人工智能方面的研究也迈进一大步。即使费时费力使用通用计算机造出的机器人肯定瑕疵遍身，呆头呆脑，不能大部分符合人类的特征。可以预见，电影《人工智能》中的那些活灵活现，可以以假乱真的机器人将会在不久的将来实现。
注：
1. 在数学中，希尔伯特空间是欧几里德空间的一个推广，其不再局限于有限维的情形。与欧几里德空间相仿，希尔伯特空间也是一个内积空间，其上有距离和角的概念（及由此引伸而来的正交性与垂直性的概念）。
2. 不能确定一个电子在原子周围的位置
3. 指在量子数很大而改变很小的情况下，量子理论所得的结果应趋近于经典物理学的结果
4. 在量子力学框架内用经典物理学概念描述原子现象,不可能具有象经典物理学所要求的那种完全性,因而必须使用相互排斥又相互补充的经典物理学概念，才能对现象的各个方面提供一个完全的描述
5. 原子核具有一定的能级，当原子吸收能量，原子就跃迁更高能级或激发态，当原子放出能量，原子就跃迁至更低能级或基态，原子能级是否发生跃迁，关键在两能级之间的差值。
6. “正交”是从几何中借来的术语。如果两条直线相交成直角，他们就是正交的。用向量术语来说，这两条直线互不依赖。沿着某一条直线移动，该直线投影到另一条直线上的位置不变。在计算技术中，该术语用于表示某种不相依赖性或者解耦性。如果两个或者更多事物种的一个发生变化，不会影响其他事物。这些事物就是正交的。
7. 在量子力学里，态叠加原理（superposition principle）表明，假若一个量子系统的量子态可以是几种不同量子态中的任意一种，则它们的归一化线性组合也可以是其量子态。称这线性组合为“叠加态”。假设组成叠加态的几种量子态相互正交，则这量子系统处于其中任意量子态的概率是对应权值的绝对值平方。
8. 电子向右自旋和正电子向左自旋的状态是相关联的，这一现象称作量子相干性。
9. RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，也易于理解和操作。RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在已近二十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。RSA的安全性依赖于大数的因子分解，但并没有从理论上证明破译RSA的难度与大数分解难度等价。
作者：琴书
来源：蝌蚪五线谱