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前段時(shí)間，美國國際商用機(jī)器公司(IBM)推出了53量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并計(jì)劃向外部用戶開放使用。谷歌公司則發(fā)表論文稱，成功讓量子系統(tǒng)花費(fèi)約200秒完成了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要1萬年才能完成的任務(wù)。量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展引發(fā)人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。

與主宰宏觀世界的經(jīng)典力學(xué)不同，微觀世界遵循量子力學(xué)原理。微觀粒子有一些有趣的現(xiàn)象，第一個(gè)現(xiàn)象是疊加態(tài)。在宏觀世界中一個(gè)物體在某一個(gè)時(shí)刻只能處于一種狀態(tài)，比如一個(gè)人在一個(gè)時(shí)刻只能處于一個(gè)地方。但在微觀世界中，一個(gè)粒子可以同時(shí)處于兩種不同的狀態(tài)中，好比一個(gè)人在同一個(gè)時(shí)刻可以既在北京又在巴黎。這種疊加態(tài)在宏觀世界不可想象，但在微觀世界里，科學(xué)家反復(fù)觀察到了同一個(gè)粒子處于兩種截然不同狀態(tài)中的現(xiàn)象。更有趣的是，如果對(duì)這個(gè)粒子進(jìn)行操作，會(huì)對(duì)它同時(shí)所處的兩個(gè)狀態(tài)都有影響，好比發(fā)出“舉手”的指令時(shí)，在北京的這個(gè)人會(huì)舉手，同時(shí)在巴黎的他也會(huì)舉手。

第二個(gè)是觀察和測量。在微觀世界，對(duì)同一物體同一狀態(tài)用相同方法測量，每次測量的結(jié)果可能都會(huì)不一樣，也就是說結(jié)果不確定。更麻煩的是，測量之后被觀測物的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。

第三個(gè)是量子糾纏，是發(fā)生在兩個(gè)或更多個(gè)物體上的一種特殊狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，多個(gè)物體彼此“分不開”，一個(gè)變化另一個(gè)就變化。比如，微觀疊加態(tài)下，一群人既在北京又在巴黎開會(huì)，而且如果測量了其中一個(gè)人的位置是在北京，那么所有人都在北京了;如果測量的那個(gè)人的位置是在巴黎，那么所有人又都在巴黎了。在微觀世界，物質(zhì)呈現(xiàn)的性質(zhì)與人們?nèi)粘Ｉ畹闹庇X完全不一樣。這些在微觀世界中的新奇現(xiàn)象被精確的實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證。

我們接著再來看看計(jì)算。計(jì)算可以理解為，有一個(gè)輸入，也有一個(gè)指定的輸出，中間環(huán)節(jié)是計(jì)算的過程。不同的計(jì)算問題難度不一樣，比如兩個(gè)數(shù)字相乘并不難。反過來，把一個(gè)大的數(shù)字分解成兩個(gè)數(shù)字，難度就大大增加了。人們能想出來的大數(shù)分解算法都有很高的復(fù)雜度，以至于人們認(rèn)為也許大數(shù)分解這個(gè)計(jì)算問題本質(zhì)上就很難。計(jì)算困難成為了現(xiàn)代密碼學(xué)的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)和電子商務(wù)等領(lǐng)域。1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家肖爾發(fā)現(xiàn)，使用量子計(jì)算機(jī)可以讓大數(shù)分解變得很快。經(jīng)典計(jì)算機(jī)很久都算不出來的數(shù)字，量子計(jì)算機(jī)很快就能解決。數(shù)字越長，這種優(yōu)勢就越明顯。這將對(duì)現(xiàn)有的密碼學(xué)造成很大影響。

現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了很多量子算法。大體而言，量子算法利用了疊加態(tài)帶來的天然的并行計(jì)算能力，利用不同的路徑可以一起工作的優(yōu)勢，同時(shí)克服量子計(jì)算只能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換、測量的不確定性和破壞性等困難。需要指出的是，在一些計(jì)算問題上，量子計(jì)算并沒有優(yōu)勢，或者優(yōu)勢非常有限。所以，對(duì)哪些計(jì)算問題有優(yōu)勢，優(yōu)勢有多大，如何利用這個(gè)優(yōu)勢，是量子計(jì)算的根本性問題。

量子計(jì)算被視為加速人類計(jì)算能力的重要入口。量子算法在數(shù)論、線性代數(shù)、組合、優(yōu)化、量子系統(tǒng)模擬、化學(xué)等方面展現(xiàn)出了越來越多的優(yōu)勢。另一方面，量子算法需要在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。近20年，量子計(jì)算機(jī)在多個(gè)方向上均取得了穩(wěn)步的進(jìn)展。這些量子科學(xué)理論和軟硬件領(lǐng)域的突破進(jìn)展，會(huì)給云計(jì)算、人工智能、藥物、材料研發(fā)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域帶來顛覆性革新。比如，用更快的人工智能算法，以及通過云的方式提供更快的計(jì)算，可以加速藥物分子的研發(fā)和新材料的設(shè)計(jì)。量子計(jì)算會(huì)大大改變?nèi)祟愓J(rèn)識(shí)自然尤其是微觀世界的方式，產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。