大白話量子計算來了。

要討論量子計算，先簡要普及下目前的電子計算，然後我們再來展望，看看區別在哪兒。

簡化下，任一智能計算系統必然包含輸入、指令處理、運算、輸出。輸入：採集信息後編碼輸入（預設數值變數或模數轉換等物理模擬變數數值化）；輸出：直接到執行單元再反饋到輸入單元，或到人機界面再反饋到指令單元執行；指令單元和運算單元就結合的比較緊密了，指令單元需要讀取預設的數據所代表的指令流程再對輸入數據執行相應的運算。

那麼，當前計算機的速度瓶頸在哪兒？一些顯而易見的先拋開一邊，比如過程緩存等，簡要說下執行效率，cpu的運算速度，拋開其邏輯構架，其速度由驅動頻率決定，而其能承受的最高頻率由其中的晶體管的開關速度和其耗能決定。為啥隨著集成度越高執行頻率越高哩，其中一個因素是因為在單晶硅上加工的開關越小，其開關能耗越低，晶元的良品率決定在加工的開關電子響應速度上，這裡有個時序的概念，學過數字電路的都知道何謂脈衝爭峰，一致開關狀態電路中，不同邏輯處理要設計成經過同樣多的開關路徑，以便輸出的方波不會出現爭峰現象，在高頻率下，細微的速率差別經多級累積後，其結果會干擾正確的運算結果。因此，隨著光刻加工趨向於極限，現代單晶元體系也基本到頭，摩爾定律也就失效。

由上可知，所謂量子計算（特殊只經過內部特定物理結構模擬得出結果的不說，那不叫量子計算系統，那是屬於實驗室的研究應用）必須有高效的編碼輸入輸出渠道，並且可操控的量子可穩定交互運算，其速率能耗自然遠超現有體系，同樣其指令數據等輸入效率決定了量子計算的瓶頸。

目前量子計算多以研究各種量子物理狀態的交互邏輯變化和可操控性方面，再輔以合適的拓撲結構模型，其和經典的電子開關截然不同；解決了拓撲結構和基本邏輯運算，還要有合適的編碼數據輸入和輸出轉換。

所以，不能拋開基本面耍流氓。

目前的量子計算科普就流氓的很！

在一個大數據爆發的時代，它可以在同一時間內處理海量數據、海量元素、海量維度，它的速度是計算力的一次革命，這樣一場革命對我們現今的很多的研究，包括新葯的研究，包括化工材料的研究，包括金融，包括人工智慧、雲，它是跨時代的意義。

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那麼，量子計算機是什麼東東？

  • 量子計算機依賴出現在自然界的量子力學現象――基本上是物質的兩種重要狀態，名為疊加和糾纏。物質的這些狀態被用於計算時，有望提升我們對複雜數據集執行計算的能力。
  • 這裡的重要區別在於量子計算機不同於傳統計算機，而傳統計算機是依賴晶體管的二進位數字電子計算機。

這種技術有什麼樣的實際應用？

  • 首先，不妨來一個思維實驗。設想一下電話簿，然後設想你要在該電話簿中查詢某個特定的電話號碼。使用晶體管的經典計算機會搜索電話簿的每一行，直至找到並返回匹配號碼。相比之下，由於擁有量子比特，量子計算機可以同時評估每一行，並返回結果，速度比經典計算機要快得多，因而可以立即搜索整本電話簿。
  • 因此，該技術可以應用於似乎有無限變數的行業問題，那些變數組合構成了一系列數量非常多的潛在解決方案。這些巨大的變數問題通常被稱為優化問題。
  • 比如說，為北美的每個人優化每條航線、機場時刻表、天氣數據、燃料成本和乘客信息等，從而獲得最具有成本效益的解決方案。經典計算機通常需要幾千年時間來計算解決這個問題的最佳方案。從理論上來說，每台量子計算機的量子比特數量增加後――這一幕已成為現實，量子計算機就可以在幾小時內或更短時間內完成這項任務。

網路安全與量子計算有什麼關係？

  • 現代密碼學（密碼）依賴名為素數因子分解的數學函數。基本上，大數被分解成素數，然後這些素數可以相乘，從而得到大數。經典計算機並不擅長於這方面，要花很長時間才能破解基於素數因子的加密代碼。不過你也猜到了，量子計算機確實很擅長於此。
  • 世界各國政府都在競相製造能夠淘汰所有現代形式的密碼的量子計算機。
  • 為了開發出防止黑客的通信，中國政府最近將據稱是世界上第一顆量子衛星送入軌道。這顆衛星的名字叫「墨子」（Micius）。「墨子」旨在研發出遠距離量子加密通信。

簡而言之：量子計算機依賴量子力學的基本原理來加快解決複雜計算這一過程。

這些計算通常包括看似數量不可估量的變數，應用廣泛，從高級基因組學到金融等行業，不一而足。此外，量子計算機已經在重塑網路安全的一些方面，這歸功於它們能夠基於素數因子分解來破解代碼，以及能夠提供高級的加密形式，以保護敏感通信。

基礎知識量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。對照於傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；通用的量子計算機，其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。

從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由於量子力學疊加性的存在，目前某些已知的量子演算法在處理問題時速度要快於傳統的通用計算機。概念的提出

  • 量子計算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實驗室的P. Benioff於80年代初期提出，他提出二能階的量子系統可以用來模擬數字計算；稍等費曼也對這個問題產生興趣而著手研究，並在1981年於麻省理工學院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現象實現計算的願景。1985年，牛津大學的D. Deutsch提出量子圖靈機（quantum Turing machine）的概念，量子計算才開始具備了數學的基本型式。然而上述的量子計算研究多半局限於探討計算的物理本質，還停留在相當抽象的層次，尚未進一步跨入發展演算法的階段。

中期發展

  • 1994年，貝爾實驗室的應用數學家P. Shor指出，相對於傳統電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內將一個很大的整數分解成質因子的乘積。這個結論開啟量子計算的一個新階段：有別於傳統計演算法則的量子演算法（quantum algorithm）確實有其實用性，絕非科學家口袋中的戲法。自此之後，新的量子演算法陸續的被提出來，而物理學家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執行這些量子演算法。許多量子系統都曾被點名做為量子計算器的基礎架構，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動力學（cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統的可擴展性和操控精度等因素，離子阱與超導系統走在了其它物理系統的前面。

發展前景

  • 量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規模量子計算所存在重要的問題是，如何長時間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時又能夠在這個時間段之內做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。
世界上第一台商用量子計算機
  • 加拿大量子計算公司D-Wave於2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機「D-Wave One」。D-Wave公司的口號就是——「Yes,you can have one.」。D-Wave On採用了128-qubit（量子比特）的處理器，理論運算速度已經遠遠超越現有任何超級電子計算機。不過嚴格來說這還算不上真正意義的通用量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決特殊問題的機器。通用任務方面還遠不是傳統硅處理器的對手，而且編程方面也需要重新學習。另外，為儘可能降低qubit的能級，需要利用低溫超導狀態下的鈮產生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對零度附近（20 mK）。
  • 量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規模量子計算所存在的一個問題是，提高所需量子裝置的準確性有困難。

IBMQ系統2017年3月，IBM宣布計劃建立業界首個商用通用量子計算平台，即為「IBMQ」系統。該系統將通過IBMCloud平台交付。據此次結果表明，該系統的量子位分別達到16和17位，相比之前的5位量子位已經有了巨大的飛躍。通過一系列的測試和運行，「IBMQ」平台已經可以解決傳統計算機無法處理的各種問題，比如以下這些：

  • 藥物和材料研究
  • 供應鏈和物流
  • 人工智慧
  • 金融服務
  • 雲安全問題

此外，為了讓初學者更好地理解這些概念，IBM還發布了一個針對「QuantumExperience」的API介面，以便更多的開發者和程序員能參與其中。

2017年上半年，IBM還計劃在這一平台上發布一個完整的SDK工具包，供用戶構建簡單的量子應用和軟體程序。未來幾年，IBM還計劃推出50位或更大量子位的計算機。多年來，專業級別的硬體一直都主要服務於商業、政府和研究領域，這次IBM推出的這項成就表明未來關於專業級別的技術將越來越多。自IBM去年夏天向公眾開放以來，5位量子位的量子體驗計算機已經進行了超過30萬次的實驗，所以今天發布的第三代16量子位的處理器將允許更複雜的計算。

此外，據TrendinTech報道，今年晚些時候「IBMQ」平台還將發布業界首台商用量子計算機，這將為用戶提供通過IBMCloud平台連接量子計算機的機會。但在這項技術成為主流之前，尚有許多困難需要克服。

常識的、習慣的計算是有確定的結果，1+1=2，不等於2是算錯了。但是量子計算是非確定性和非線性結果，意味著每次都可能不同。因此，一個確定性的輸入卻可能得出非確定性的結果。光在雙縫實驗中的現象就是如此，一次一個光子，經過累積，會形成明暗相間的條紋，這些條紋是每個光子形成的點陣，點陣構成了條紋。每個光子在發射時都不確定到底會在條紋的哪個位置顯現，但是它有概率，波函數反應這個概率分布。所以，為了確定光子到底經過哪個縫隙，就要在縫隙前或者後進行觀測，結果見鬼的是，光子再也不會亂跑形成條紋了。哪怕是以超超級快的速度在光子經過縫隙後，突然進行觀測也會是同樣的結果，總之，只要你付諸測量，無論什麼手段進行觀測，總會得到確定的結果，它們再也不會形成條紋分布，而不測量的時候，條紋就立刻恢復。這是很讓人抓狂的現象。天文學家利用幾十億光年外的光子做同樣的實驗得到相同的現象，難道幾十億年前的光子知道有天文學家要測量？還是天文學家現在的測量改變了幾十億年前光子的狀態？這種反直覺的現象已經被多次證明是真正的科學，無需懷疑。但是這恰恰是量子物理的魅力，它揭示了一個真理，所有物質的本源在未觀測之前都是量子態，一旦觀測就粒子化。所以波粒二像性並非本質，真正的本質是波，粒子是測量結果，而這個結果是波所涵蓋的所有可能結果之一。所以，那些條紋反映了「你不企圖測量，我就說不定在哪個位置，不完全隨機，有一定概率會出現在哪」。「如果你在測量，那麼請忘了波這回事，我就是實在的粒子，哪來哪去都妥妥的確定，不會再玩什麼概率分布」。

所以，量子計算就類似這個現象，很多個糾纏態的比特位在運算過程中不能進行測量，就是「憋說話」，一打擾就會導致失靈。你只能等他們運算完了再去查看結果，然後就像那些條紋，你會在辣么多的可能結果中確定一隻，然後下一次，天知道會是哪一隻。

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