量子计算机真相揭秘，一篇文章颠覆你的认知

你看过《三体》吗？在刘慈欣笔下，三体人用一种叫“智子”的黑科技干扰了人类的实验，从而锁死了人类的技术。而在现实世界，一把无形的“锁”其实也悄然逼近了我们，它就是芯片。

随着光刻机与芯片的发展，计算机的算力也再不断获得着提升，可芯片终究不是不是庄子口中“日取其半，万世不竭”的木捶，等芯片尺寸抵达极限后，我们的算力是不是被锁死了？没有更高的算力，我们的技术是不是也被锁死了？

在《三体》中，打破智子封锁的是面壁者的计谋，那在现实中，我们要如何打破这无形的“智子”呢？或许，量子计算机就是答案。

那量子计算机究竟是什么东西？它又是如何帮人类突破算力限制的？它的工作原理又是什么样的？且听我给你慢慢道来！

量子计算机的意义

在探究量子计算机的意义之前，我们不妨先来了解一下传统计算机。传统的计算机，是由无数的晶体管构成。这些晶体管在接收到信号后，会进行“关”和“开”这两个操作，以此来表达0和1，一组0和1，被称为“1比特”，是计算机中的最小单位。有了“比特”，我们就能用二进制来表达所有信息，比如3是“011”，4是“100”，大写字母“A”是这个——“01000010”。

无数这样的晶体管组合在一起，就构成了电路，而大量的电路聚集在一起，就形成了芯片.我们常说的10nm、5nm的芯片，就是指芯片上晶体管的数量，晶体管越多，芯片的运算速度就越快，算力也就越强。

我们为何需要算力呢？因为传统计算机有个根本性的问题——不管晶体管的尺寸有多小，精度有多高，在同一个时刻，一个晶体管只能表达出一个状态。简单来说，当它表达“开”，也就是“1”的时候，它不能表达“关”，也就是“0”。就像一台电灯，它只会出现“点亮”和“熄灭”这两个状态，不会有第三种情况。

受制于这种情况，传统计算机每次计算，都只能得到一个结果，你让它算1+1的时候，它是没法同时算出1+2、1+3的，因此，当面对特别复杂，特别庞大的计算量时，传统计算机只能加快自己的运算速度，或是用多个计算设备同时进行运算。这也就是当今芯片疯狂卷精度的原因，归根结底，是因为传统计算机除了堆砌算力，没有其他的办法。

但如今传统计算机的算力能满足人类的需求了吗？并不能，我们举个最简单的例子，在进行质因式分解时，传统计算机可以轻易的把21分成“3*7”，把81分成“9*9”，可如果你让传统计算机去分解一个300位的大数，它可能需要15万年才能完成工作。而在科学研究中，我们有时需要进行比分解300位大数复杂的运算，这时，传统计算机的算力就显得有些捉襟见肘。解决问题的希望，就落在了量子计算机身上。量子计算机能用自己独特的原理，摆平传统计算机搞不定的“大麻烦”。

量子计算机

量子计算机的工作原理

不同于传统计算机，量子计算机内部没有晶体管，而是用特殊方法“禁锢”住了一个个微观粒子，用这些时刻变化，不停活动的微观粒子当作零件。构成量子计算机的最基本单元也不是只能表达“0”和“1”的比特，而是表达能力更强的量子比特，Qubit。得益于微观粒子的物理特性，Qubit的表达范围虽然依旧在“0”和“1”之间，但它除了能表达这两个数外，还能表达诸如“0.5”这类位于“0”和“1”中间任意的数。

打个比方，这就像我们在赶路时汇报自己的位置，传统计算机的比特只能告诉你，“我是否出门了”和“我是否到了”，而量子比特却能像你汇报“我具体到哪了”、“还有多久才能到”。怎么样，是不是觉得量子比特能表达的信息丰富多了？

你以为量子计算机就这点能耐了？不不不，这还是在只有两个量子比特的情况下。倘若有三个，量子计算机能同时表达的结果就是2的3次方，8个，比传统计算机快了8倍。4个量子比特呢？就能同时表达2的4次方，也就是16个不同的信息。倘若把量子比特的数量扩充的足够大，一次运算就能获得巨量的数据，当有300个量子比特同时工作时，它们能同时得到的信息数量就是2的300次方，这个数是很夸张的，比宇宙中所有的原子总和的数还要多。这不比死磕芯片精度香多了？

量子计算机的局限性

当然，量子计算机不是万能的，由于它表达的结果过于丰富，因此每次运算时，会产生大量我们不需要的结果。这时我们就要用特殊的量子电路，去筛选我们需要的结果。

量子电路会根据计算机中Qubit的特性，比如微观粒子的自旋方向、偏振角度、能级、位置、原子核数量等参数，对Qubit进行有针对性的筛选。从茫茫多的计算结果中选出我们需要的那个。因此，量子计算机并不能像传统计算机那样具有极强的泛用性和通用性，而是专用计算机。

举个例子，如果我们要研究可控核聚变，需要计算可控核聚变的某个重要参数，这个参数的运算量又非常的大，需要传统计算机耗时上万年。我们就可以制造一台针对这个参数的量子计算机，没准投入使用的当天，它就能把正确答案呈现在我们面前。但这也是它唯一的作用了。倘若我们再拿这台计算机去计算常温超导的参数，它就会算的一塌糊涂，根本无法胜任工作。换言之，每台量子计算机在某种意义上都是“一次性产品”，它们只能去处理某个特定的任务，任务完成了，它们就成了废品。不像传统计算机那样，有着极强的泛用性。

同时，量子计算机的保存条件也极为苛刻，量子计算机内部的量子芯片对制作工艺的要求不高，可它对运行环境却非常挑剔，温度、震动、噪声、电磁波甚至光线都会影响量子芯片的状态，得同时控制好这些变量，才能让量子计算机正常运行，其维护成本比传统计算机高太多了。因此，在可以预见的未来里，我们用量子计算机打游戏刷视频是不太可能了。不过，量子计算机却能帮我们研发出更好的材料，从而制造出性能更优秀的传统计算机。

其实，量子计算机和传统计算机，它们的存在从来都不是对立的，如果只有传统计算机，我们就无法搞定那些过于庞大的计算，如果只有量子计算机，过高的制造与维护成本同样会让科研寸步难行。只有它们合作，我们才能更好的叩开通往星辰大海的门。

其实，同样的道理放在我们人类之间又何尝不是如此？只有我们团结一致，精诚合作，才能走向更好的未来，而不是在互相制约中走向毁灭，你们觉得呢？