人類科技會被“智子”鎖死？來看量子計算機如何打破技術壁壘

自20世紀40年代人類開始使用計算機以來，我們的科技水平一直在以指數級增長，得益於工藝水平的提升，計算機也由龐然大物逐漸縮小，走進千家萬戶，變得更小更強。

但計算機部件正接近原子大小，使得計算機科技的發展即將達到物理極限，這也是人類科技進步被鎖死的原因之一，而量子計算機或許可以打破這一技術壁壘，助推人類科技邁上新的臺階。在瞭解量子計算機之前，我們先來看一看普通計算機的工作原理。

普通計算機

晶片

計算機處理資料的核心部件是晶片。晶片由模組構成，模組包含邏輯閘，電晶體則組成了邏輯閘，電晶體是計算機中資料處理器的最基本單元。電晶體是一種電子開關，它可以開啟或阻塞電子資訊經過的通道。執行在最底層電晶體內的資訊是二進位制數，也就是0和1，一個二進位制數代表一個位元，透過位元的組合，可以表示更復雜的資訊。

10奈米級電晶體

電晶體被組合成邏輯閘，它可以做非常簡單的邏輯判斷。例如，如果兩個電晶體輸入邏輯閘的電子資訊都是1，以二進位制來說，1加1就該進位，那麼邏輯閘的計算結果就為0，傳送的輸出訊號為1。透過邏輯閘的組合，可以組裝成有意義的模組，比如，計算機的加法模組。一旦計算機能做加法，那麼也能做乘法，這就意味著計算機能夠做任何形式的數學運算。

所有的基本運算都比一年級的數學還要簡單，完全可以把計算機想象成一個在做加減乘除作業的七歲小孩。擁有足夠計算能力的機器每秒可以執行數以億計，我國的超級計算機天河二號，每秒能執行1206萬億次，當屬世界上執行最快的計算機。然而，隨著計算機部件變得越來越小，當達到量子層級時，量子力學的測不準原理讓傳統計算失去了意義。

量子隧穿

簡單來說，電晶體就是一個電子開關。電子從電晶體的一端移動到另一端，電晶體相當於一個電子通道，可以放行電子，也可以阻止電子移動。現在電晶體的典型尺寸是7奈米，大約是HIV病毒直徑的1/14，比紅細胞小1000倍，而原子的直徑通常只有0。1奈米，相當於電晶體一次能通行70個原子。當電晶體縮小到原子尺寸級別時，由於量子力學的不確定性，電子可能會直接透過邏輯閘，無視邏輯閘的阻塞，這就是所謂的量子隧穿效應。

不確定性原理

在量子力學領域，量子狀態變得不可測量，這與我們習慣的可預測計算方式格格不入，就像我們無法知道1+1究竟等於幾一樣，這讓人十分抓狂。為了解決這個問題，何不打破思維定勢，用量子特性來解決量子問題呢，於是量子計算機的概念就應運而生了。在普通計算機中，位元是最小的資訊單元，而在量子計算機中，量子位元成為了表示資訊的基本形式。

為何如此之快

由於量子的不確定性，量子位元即可以是1也可以是0，它可以同時表示兩個數字。就像量子場中光子的偏振方向一樣，處於量子狀態中的光子，在未被觀測之前，它可能水平偏振也可能垂直偏振，這種奇趣的現象也可稱之為量子疊加。一旦你測試光子的偏振方向，比如說，讓光子透過過濾器，那麼光子的量子狀態就塌陷了，光子必須具備一個確定的偏振方向，要麼向上要麼向下。

所以只要量子沒有被觀測到，量子位元就處於0和1的量子疊加態中，無法預知量子究竟是1還是0。但是當確定測量量子時，它就會從不確定性轉為定態。如果將4個量子位元互相組合的話，一共有2^4種不同的排列方式，可以表示16種不同的資訊。既然4個量子位元疊加可以同時表示16種資訊，當越來越多的量子位元集合在一起後，可表示的資訊將呈指數增長，用20個量子位元就能夠儲存2^20個數值，一共超過100萬個資訊。

量子糾纏

量子位元還具有量子糾纏屬性，這是量子系統的整體特徵，我們無法單獨描述單個量子的具體狀態，當對其中一個量子進行作用時（包括測量），另一個量子會立即作出反應，無論它們相距多遠。這意味著當測量一個處於糾纏態的量子時，你可以根據測量結果直接推斷出另一個量子的屬性。

普通計算機的邏輯閘得到一組簡單的輸入，然後產生一個確定的輸出。而量子計算機則透過量子門操縱一組量子位元疊加輸入，產生另一個疊加態作為輸出。量子門糾纏量子位元來使它們形成一個量子疊加體，這個疊加體內包含了運算的所有可能結果。

這意味著，4位量子位元的疊加體只要計算一次，相當於普通計算機執行16次，而20位量子位元量子位元運算一次，則相當於普通機器運算100萬次，量子計算機將使計算效率提升百萬倍、千萬倍甚至億萬倍，只要實現越多的量子位元疊加體，計算能力就會呈指數增長。

未來之力

雖然量子計算機暫時不會大規模生產運用，但它確實是我們下一代計算機產品。它強大的計算能力，可以帶來許多實實在在的好處，其中之一是資料檢索。當我們需要在資料庫中查詢想要的東西時，一臺普通的計算機需要遍歷資料庫中龐大的內容，運算好幾百萬次。而量子計算機只需執行一次，便可完成巨量運算，大大縮短了我們等待的時間。