有可能吗？ “量子计算机”有什么了不起的？

今年也是诺贝尔奖的季节。从10月4日的“生理医学奖”开始，连续几天公布了“物理学奖”（第5名）和“化学奖”（第6名）。

同时，第二版是“物理学奖”的领域。由于科学家们的长期努力和探究精神，有许多研究有望获得诺贝尔奖。由此可见，其计算能力已远超以往计算机，正在研究“量子计算机”这个不可理解的世界，以实现这一目标。

实现需要高科技的“量子计算机”

对量子计算机的研究可以追溯到 1980 年代。当时，专注于量子计算机研究的学者之一是理查德·费曼。他是一位出生于美国的物理学家，为量子力学的发展做出了巨大贡献。费曼认为，为了进行正确的物理模拟，需要一台使用量子力学原理的计算机，因此他提出了量子计算机的理论模型。只是一开始，很少有研究人员表示对量子计算机感兴趣。后面会讲到，真正做一台量子计算机需要很高的技术能力。

经典计算机无法分解大量素数

量子计算机在 1994 年受到了特别的关注。美国数学家彼得·肖尔发现，“如果使用量子计算机执行特定算法的运算量子计算机有多强大，就可以有效地执行素数分解”。素数分解是“21 = 3 × 7”，因此大数表示为素数的乘积。 “21=3×7”的素数分解很简单，但是“9420013=2683×3511”等，数字越大越难解。如果是600位左右的数字，我们今天使用的计算机（以下称为“经典计算机”）无论如何也无法回答。超级计算机也是不可能的（更准确地说，虽然花了很长时间才解开，但那时地球可能已经死了）。

“量子计算机”有什么了不起的？

另一方面，如果两个素数相乘，经典计算机可以立即处理它，即使是 600 位或更多位。此外，如果两个素数之一已知，另一个素数也可以通过计算立即识别。两个素数的乘法很简单，但是从乘法的答案中找不到原来的素数。此属性可应用于强密码技术，用于在两者之间交换信息，现在已广泛用于网络通信中。我们也可以放心地在线购物，因为使用素因数分解的密码不会被任何人破解。

因此，如果量子计算机真的可以用于素数分解，那么网络的安全性将受到根本性的动摇，社会将陷入大混乱。因此，肖尔的发现引起了众多研究人员的兴趣，对量子计算机的研究突然加速。幸运的是，对更安全的量子网络和量子密码学的研究也在进行中。

将多个离子排列成一行的“量子计算机”

正如 Shor 的算法所代表的，量子计算机隐藏着快速解锁经典计算机不擅长的计算的潜力。这就是“用超级计算机计算需要00年，但用量子计算机可以在几分钟内完成！”。那么，为什么量子计算机的计算速度如此之快？先来说说答案，“量子计算机使用与经典计算机完全不同的计算序列来解决问题。也就是说，量子计算机和经典计算机具有完全不同的动作原理和操作，是一种“新型”计算机.

那么，究竟什么是量子计算机。简而言之，它是“一台利用微观世界物理现象的计算机”。经典计算机将数据写入数十纳米（千分之几毫米）。量子计算机在精细加工的半导体中进行计算，量子计算机将数据写入更小的物质，如原子、电子、光子等。由于需要非常精细的技术，在费曼时代，对量子计算机的研究并没有可以理解受到关注。让我们以“离子阱型量子计算机”为例，说明用什么样的技术来完成这样的事情。

“离子阱型量子计算机”是将数据写入“离子”进行计算的量子计算机。这里所谓的离子是指带电冷却的原子，但如果认为主要是很小的，不能旋转的带电粒子也可以。因为离子是带电的，它会受到周围静电的影响。例如，带正电的离子会排斥正电荷，而会被负电荷吸引。那么，如果离子周围的离子从各个方向交替给予正/负电场，会发生什么？那个离子从周围交替接受“吸引力”和“排斥力”，但此时，如果条件相同，它就完全处于两难境地。这是一种捕获离子的技术“离子阱”。

如果使用离子阱，可以将多个离子排列成一列以密封在由多个棒状电极围绕的圆柱形空间中。实际上，像这样排列的离子柱是“离子阱型量子计算机”。 2012年，这种离子阱型量子计算机的研制获得了诺贝尔物理学奖。

首先，让我们只关注其中一个离子。作为离子的量子特性，当用预定波长的光照射时，该光被吸收。此外，通过观察离子的行为，我们可以区分离子是处于光吸收前的状态还是吸收后的状态。如果将每个离子的状态分别称为“0”和“1”，则离子状态的排列方法可以作为二进制数据处理。

但是，如果我们不观察离子，就不清楚离子的状态是“0”还是“1”。那么，到底是怎么回事，其实是一种“0和1（在一定权重下）重叠的状态”的特殊状态。能够达到这样的状态是量子计算机的一大特点，它与经典计算机有着决定性的不同。像这个离子一样，可以采取“0和1的某个权重重叠的状态”的东西被称为“量子比特”。

经典计算机使用“0”和“1”这两个数字来表示一切，因此需要重复“0”和“1”的转换操作才能找到答案。另一方面，由于量子位在权重0和1重叠的状态下运行，因此需要使用与经典计算机完全不同的逻辑系统进行操作。换句话说，可以用与我们目前使用的操作完全不同的想法来解决问题。这就是“量子计算机用与经典计算机完全不同的计算过程解决问题”的雏形，可以说其根源在于量子比特的特性。

利用量子“纠缠”一次执行大量操作

量子比特的操作需要用到量子的另一个特性，“量子纠缠”。量子纠缠是指当两个量子位之间存在特殊的相互作用时，两个量子位相互结合，“0”和“1”状态重叠的现象。例如，当两个量子比特纠缠在一起时，“00”“01”“10”“11”将以其各自的概率相互重叠。

例如，如果排列的离子很多，相邻的离子都是带电粒子，所以会相互排斥。因此，彼此的离子相互作用，就好像它们被一个看不见的弹簧连接起来，而这种振动产生了量子纠缠（本次以离子为例进行说明，即使是一个不带电荷的粒子量子计算机有多强大，如果存在一定的相互作用也可以也会引起量子纠缠）。

如果应用了量子纠缠，则可以在交互时对单个量子位执行操作。

例如，通过将多个量子比特交织在一起，可以从“000...00”到“111...11”，并且还可以保持之前状态的叠加，一次计算。使用 20 个量子比特，您实际上可以一次执行 250 ≈ 1000 兆字节的操作。事实上，为了从这种状态中得到想要的答案，还需要做更多的工作。如果顺利的话，它的处理速度可以比经典计算机逐个计算多个条件的速度更快。

预计量子计算机将处于活动状态的应用对象不仅限于素因数分解。经典计算机不擅长的组合问题、量子化学计算等，如果有新的计算方法，或许可以解决。

虽然说了这么多，但是关于如何利用这个特性，用什么样的算法可以进行有趣的计算，量子计算机主机能发展到什么程度，还有很多我们不知道的。几十年后，我期待观察一个量子计算机活跃的社会。