相信很多人都聽說過“量子計算”這個詞，而且我們知道量子計算機非常有可能成為下一代通用的計算機，大部分人對於量子計算的理解可能跟我一樣僅限於字面理解，知道大概是什麼意思，但稍微深入一點就不太清楚了，所以我覺得有必要跟大家一起學習一下量子計算的皮毛，當然更多地是從概念方面去理解。
要弄懂量子計算，我們必須先明白什麼是計算機。
圖靈機
計算，本質上是解決問題的方法，給定初始條件，通過一定的規則作用於初始條件，得到最終的結果，這就是計算，當然這是非常廣義上的。
說到計算機，有一個話題繞不開，那就是計算機的鼻祖——圖靈機。
圖靈機不是一種具體的機器，而是一種概念意義上的機器，它是這樣一種東西：
1、想象有一條無線長的寬帶子，帶子被劃分成一列均勻的小格子，每個小格子上都記錄一個信息，這個信息可以是任意的，但是為了方便處理，我們將這個信息定義為0或1，除了記錄信息的格子之外都是空白；
2、還有一個讀寫頭，這個頭可以讀出每個小格子裡是什麼，還可以把這個小格子的信息擦掉，重新寫上新的信息；
3、然後有一個控制器，這個控制器可以控制上面說的這個讀寫頭的行為，比如是否往一個格子裡寫入新的信息，處理完一個格子的信息之後，下一步是往左還是往右動一格。
圖靈機實際上就是對我們人類日常計算的抽象，比如當我們計算12×13時，我們會在紙上寫下如下的樣式，然後按照我們被教的計算方法進行計算，這個我想大家應該都會吧。
在計算過程中我們的注意力一次集中在一個格子上，讓我們詳細分析一下計算的過程：
1、我們先看到第一個格子，裡面是空白的，然後我們在格子裡寫上一個1，如果這個格子裡以前有數字，那麼我們就把原來的格子裡的信息擦掉，然後再寫上1；
2、寫完第一個格子之後，我們將注意力向右一個，發現也是空的，然後寫下2，然後注意力放到第二行第一格……依次類推寫完初始狀態；
3、開始“加載算法”，就是固定在我們記憶中的乘法的計算方法，讀取第2行第2個數字，是3，然後讀取第1行第2個數字是2，3×2=6，我們把注意力向下移動到第3行最後一個格子，發現是空的，把6寫進去，然後把注意力放到第2行第2個數字3，讀取第1行第1個數字1……以此類推，最終寫成我們熟悉的形式；
4、寫成上面的形式以後，我們將6與下面的格子相加，得到6，將3與下面的格子相加，得到5，將空白格子與下面的1相加得到1，於是最終計算得到156。
這是我們大多數人小學就學過的計算過程。
圖靈機就是將以上的平面二維的空間轉換成一條一維的帶子，注意力每次在一維的帶子上橫向來回移動，實際計算過程與這個本質上沒有差別。
現代計算機儘管在外形上與最開始的樣子有了巨大的差別，但是本質上仍然是圖靈機，只不過由原來的機械結構變成了現在刻在硅基上的肉眼看不到的電路。
計算機的基本邏輯
計算機看起來很複雜，可以說計算機是人類能造出來的最複雜的東西之一，也是人類能力的集中體現，從工作的報酬中我們就能看到，如今最賺錢的職業大多與計算機相關。
這麼複雜的機器，其底層卻非常簡單。
計算機中把一些信息轉化的節點叫做“門”，這個門顧名思義有點像日常生活中的門，信息從一個“門”進去，出來之後這個信息就變成了另外一個樣子，比如說“非門”，當信息經過非門的時候，它就變成自己相反的信息，比如從二進制中的0變成1。
現代計算機從圖靈機開始，只依賴幾種最簡單的邏輯門：恆等門、非門、與門、或門，這幾種邏輯門又會組成一些稍微複雜點的邏輯門，異或門、與非門、或非門、複製門、交換門等等。
就是這些簡單的邏輯門成為了計算機最底層的基礎，非常多基本的邏輯門組合起來，可以實現任意複雜的計算，一個現代計算機的芯片已經整合了高達上億個邏輯門，而佔的總面積比成人的指甲蓋還小。
具體怎麼實現的就不在這裡說了，因為我也不太懂，總之就是將這些邏輯門按一定的規則排列起來，最終形成一個強大的處理器。
那麼這些邏輯門，是如何在芯片中實現的呢？
ENIAC中使用的電子管
最早先的計算機用的是電子管，第一臺公認的電子計算機“ENIAC”用了18000個電子管，這些裝在玻璃膽管中的電子激發裝置成為了邏輯門的基本組成材料。電子管的缺陷是顯而易見的，能耗高、壽命短、噪聲大，人們迫切尋求電子管的替代品。
晶體管導電時的電流與電壓變化
於是，晶體管出現了，晶體管是目前芯片的基本元件，一塊芯片上甚至有多達幾十上百億個微型晶體管，而組成晶體管更小的構造是“PN結”，PN結姑且理解為單向導電的小構件，正是這些小構件有規律的導電斷電實現了計算機強大的計算能力。
PN結
超大規模集成電路
不可解的問題
根據前段時間剛剛公佈的超級計算機排行榜，現代超級計算機可以實現每秒14.86億億次浮點運算，這似乎已經非常了不起了，但是這對於人類解決一些終極的問題仍然遠遠不夠。
正是因為圖靈機的原理限制，導致了一些衍生的困難。
有些問題像1+1=2這種問題可以很快計算出來，有些問題像計算黑洞的形狀就相對難一些，有些問題比如模擬宇宙的演化那基本就是不可解的問題。
講到這，必須引入一個問題：計算的意義是什麼？
對於我們普通人來說，每個人都有自己特定的“計算需求”，有的人用來寫文章，有的人用來作圖，有的人用來看視頻，有的人用來編程……
在我看來計算的意義在於對未來進行預測，我想這也是計算的終極目的，而這個目的也是無法真正實現的，所謂無法實現是指只能無限接近而不能完全達到。
我們知道如果想要解決一個問題，必須對其抽象，比如計算兩個物體之間的引力，我們根據牛頓告訴我們的公式代入這兩個物體的質量、距離等條件，就可以求出兩者之間的引力，但是這只是抽象近似，因為如果我們要更精確地計算就需要用到相對論和量子力學，而相對論和量子力學也只是更精確地抽象了這兩個物體之間的相互作用，即便只抽象到這種程度，其計算量就是幾乎是無窮大的。
有一句話大意是這樣的“能夠計算宇宙的最好的計算機是宇宙本身”，宇宙的運動是如此複雜以至於我們沒有辦法對其進行模擬。
現代計算機的侷限是所有的計算都是串行的，再快的計算機也只能一次計算完成以後再進行另一次計算，這意味著有些問題沒有辦法解決，在計算領域有一個概念叫做“複雜性”，這個概念將問題分為兩類，一類是能夠解決的，另一類是太複雜以至於解決不了的。
比如著名的質因數分解問題，一個小數字可以很容易被分解出來，比如30 = 2 × 3 × 5，但是一個250位的數字，一個計算機永遠都分解不出來，即便調動全人類所有的算力都不可能。
比如：
135066410865995223349603216278805969938881475605667027524485143851526510604859533833940287150571909441798207282164471551373680419703964191743046496589274256239341020864383202110372958725762358509643110564073501508187510676594629205563685529475213500852879416377328533906109750544334999811150056977236890927563
這個數字，人類有解決這個問題的計算方法，但是如果按照這個方法進行計算，所需的時間太長了，以至於我們等不起，算出來也沒有意義。
量子計算
所以，問題很明顯了，不是沒有解決問題的思路，而是工具到極限了。
很多人都知道，現代計算機有一個“摩爾定律”：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。
從圖中，我們就可以看到這個定律基本失效了。芯片性能的提升主要依靠集成電路不斷變窄，而核心設備是光刻機，光刻機就是在硅晶片上用高能量的光刻出極端複雜的線路，前段時間AMD利用荷蘭的阿斯邁（ASML）製造的7納米光刻機生產出了7nm製程的芯片。
阿斯邁生產的超紫外線光刻機
但是7nm已經接近集成電路的寬度極限了，電路其實就是非常細的電線，電子在線路中移動產生電流傳遞信號。假如集成電路變窄，比如3nm，那麼這個尺寸就如此之小，以至於量子效應變得非常明顯，電子就不會老老實實呆在微電路內，會產生所謂的“量子隧穿效應”，電子會概率性地在電路內外反覆穿入穿出，這樣就無法形成有效的電信號。
於是，人類就像一輛高速行駛的汽車，一腦袋撞上自然給人類設下的極限法則。
但是人類的一大優點就是碰上什麼問題就想要去解決，這是人類的原始慾望所驅動的，既然再往下就會碰到量子效應，那麼就乾脆在量子效應的基礎上研製新型的計算機。
說到這裡，就必須提一嘴量子力學的一些特點了，我姑且認為大部分人都不太懂量子層面的事情，希望懂的人不要嫌棄我囉嗦。
量子的最大特點就是“概率性”，在極小的尺度上，所有的事情都不再是確定的，很多人都不相信，包括愛因斯坦，我打內心深處也不是特別相信，總認為是人類認知水平的問題，但這就是實驗的結果。
在微觀尺度上，會有很多“奇怪”的現象。比如，能量不是連續的，而是有最小單位的，可以理解為很多能量小團，再比如，光的“波粒二象性”，光既是波，又是粒子，這些都是經過試驗證實的，再比如量子有一種狀態叫“疊加態”，這個跟我們要說的量子計算有直接的關係。
大部分人可能都知道“薛定諤的貓”這一個詞，這是奧地利著名物理學家薛定諤提出的一個思想實驗，是指將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。
量子計算就是利用這種“疊加態”，普通的計算機一個比特所包含的信息，要麼是0要麼是1，只有一種固定的狀態，比特就是我們上文說到的一小格一小格，是信息的最小單位。
同樣，量子計算機也有類似的概念，叫“量子比特”，量子比特因為是處於量子狀態，所以是一種疊加的狀態，同時又是0又是1，我們不用管為什麼可以同時是0和1，只需要知道量子比特的特殊狀態。
很多個量子比特組成一個系統，這些量子比特之間根據量子的規律互相作用，從而實現量子計算，很少的量子比特，比如500-1000個，組成的計算系統，就比現在最先進的超級計算機都要強大得多，如果大家還記得，上文中說現在的一個芯片中就包含幾十上百億個晶體管，而每一個晶體管包含數個PN結，也就是說一個芯片包含幾百億個信息位，現代一臺超級計算機包含幾萬個芯片，也就是一臺最強大的計算機有幾百萬億個信息位，這聽起來是不是相當多。
但是這相對於量子計算機來說簡直不值一提，即便只有500個量子比特的量子計算機，就有2的500次方中疊加狀態，就是500個2相乘，2的500次方是這樣大的一個數字，以至於比地球上所有的原子加起來都要多。而且更重要的是，2的500次方次運算是在同一瞬時完成的，是真正的“並行”運算。正因為如此，量子計算機才擁有如此強大的潛力。
那麼用什麼來組成量子計算機？
有很多種方案：①液態核磁共振②光學系統③空腔量子電動力學④離子阱⑤固態方案⑥量子點⑦半導體中的自旋⑧超導線路等等。
是不是感覺都是漢字但一點都看不懂？其實這些都可以理解為人類試圖控制量子層面的現象，比如液態磁核共振，就是將微觀的問題變成宏觀的問題，單個的粒子很難操作就操作一大堆粒子，將大約10的18次方個液體分子置於強磁場中，通過磁場脈衝控制分子的運動；再比如，離子阱就是將單個的離子放在一個我們認為的“陷阱”中，其實就是電場中，然後將好多個這樣的離子排列成一串，然後離子彼此之間會有關聯的運動。
目前非常有希望的是超導線路和離子阱技術。
在量子計算機商用的賽道上，有很多高校、科研機構、公司展開競爭，麻省理工大學、密歇根大學、耶魯大學、中科大等等。
2011年5月11日，拿大量子計算公司D-Wave正式發佈了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”，聲稱是擁有128比特的處理器。嚴格來說當時那套系統還算不上真正意義的量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決問題的特殊用途機器。
D-Wave One
2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave2000Q，他們聲稱該系統由2000個qubit構成，可以用於求解最優化、網絡安全、機器學習、和採樣等問題。對於一些基準問題測試，如最優化問題和基於機器學習的採樣問題，D-Wave 2000Q勝過當前高度專業化的算法1000到10000倍。
2017年底和2018年初，IBM、英特爾、和谷歌各自報告分別測試了包含50、49和72個量子比特的量子處理器，所有這些都是使用超導電路實現的。
2019年1月，IBM推出了IBM QSystem One，這是其首個用於商業用途的集成量子計算系統。
IBM QSystem One
……
這40年來，量子計算機有非常大的突破，上面說的只是很少一部分，但是量子計算機離真正走進我們的生活還有很遠的路要走。
量子計算機這麼強大，但是有一個巨大的障礙，這個障礙就是“退相干”，退相干說白了就是儘可能避免周圍環境對量子計算機的影響，因為量子計算機是依據量子力學進行計算，所以對周圍環境極其敏感，環境有非常小的擾動就會造成儲存在量子計算機中的信息衰減，這種衰減會造成計算的巨大誤差，所以在信息衰減到一定程度之前，必須完成足夠多次的量子門操作才能夠滿足我們的計算需求，這個次數大概是1000-10000次。
為了實現“退相干”，必須屏蔽環境的電磁干擾和各種輻射，還有極低的溫度，於是有這樣一種設想，把量子計算機建在天上，建在地球大氣層之外，這樣就可以實現接近絕對零度的低溫，然後類似現在的“雲計算”將信息上傳到宇宙中計算，然後下載信息，將計算能力集中在宇宙中，而這種設想隨著商用火箭發射成本越來越低，變得越來越可能。
量子計算的應用
量子計算的優勢理論上是非常明顯的，但是目前仍然處於很初級的階段，即使有一些突破也是針對特定的問題。
但是在某些應用領域，我們看到量子計算巨大的商用可能性。
信息存儲。量子計算機的一大優勢是信息儲存能力，我們上文也提到了量子的疊加態性質，假如有n個信息位，現在的計算機最多將所有的位置寫滿0或1，但是量子計算機每一處都可以是0和1的疊加態，所以相當於2的n次方，就像有2的n次方個平行世界。
量子搜索。在一堆給定的數據中心，現代計算機要尋找某一特定的條目，必須逐個檢驗窮盡所有的數據，直至找到該條目為止。量子計算機一個大名鼎鼎的算法——Grover算法，通過這種算法，搜索的速度可以提高2次方倍，數據量越大，優勢越明顯。
量子通信。量子通信的最重要的特點是“防竊聽”，現代計算機在信息傳遞的過程中，如果被偷偷複製，不會產生任何痕跡，即便信息被從中間攔截，也不會被發現，但是量子計算機在被複制時，會不可避免地改變原有的信息，不存在所謂的“量子克隆機器”。
計算的未來
假設某一天人類擁有了實用的量子計算機，對於人類來說無疑是意義重大的，這意味著有些現在難以解決的問題，屆時可以解決。
但是人類的這種努力具有很強烈的悲劇色彩。
人類作為宇宙的一部分，無法完全認知宇宙的運行規律，因為人類本身就佔據著一部分資源，如果想要得到完整的模型，必須將人類佔據的資源還回去，而這對於人本身就沒有什麼現實意義。
怎樣以最少的資源解決一個給定的問題？
這是更加現實的選擇，也是迫切的計算需求，但至少人是這樣一個物種：
遇到問題，就想辦法解決它。
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