只管数字革命给我们带来了人类历史上最壮观的手艺创新浪潮，但仍有一些盘算问题似乎无法解决，其中一些可能会阻碍要害的科学突破，甚至阻碍全球经济。几十年来，传统盘算机的功率和处置速率险些每两年翻一番，但它们仍未解决这些耐久存在的问题。缘故原由是什么呢？盘算机科学家可能会给出相同的谜底：今天的数字、传统盘算机是确立在经典的、异常有限的盘算模子之上的。从久远来看，为了有用解决天下上最棘手的盘算问题，我们将不得不求助于全新的、功效更壮大的量子盘算机。

归根结底，传统盘算机和量子盘算机之间的区别并不像旧车和新车之间那样，而是像马和鹰之间的区别：一个可以奔跑，而另一个可以飞。本文将仔细研究其要害区别所在，并深入探讨量子盘算机的怪异之处。

经典盘算的硬性限制

摩尔定律

几十年来，传统盘算机的*速率和盘算能力每两年翻一番（有些人以为仅仅只有一年半），这被称为摩尔定律。只管飞速生长的措施可能终于最先略有放缓，但今天占满房间的超级盘算机就是明天的廉价条记本电脑，这或多或少是可能的。因此，以这种速率，似乎可以合理地假设，在可预见的未来，没有传统盘算机最终无法处置的盘算义务。然而，除非我们谈论的是数万亿年（甚至更长）的时间，否则当涉及到某些棘手的义务时，这基本不是一个平安的假设。

传统盘算机的致命弱点

事实上，纵然是未来最快的传统盘算机，也可能无法完成诸如快速找到异常大整数的质因数这样的盘算义务。这背后的缘故原由是，寻找一个数的质因数是一个呈指数增进的函数。指数增进，是明晰为什么量子盘算机具有云云大的潜力以及为什么传统盘算机不足的一个异常主要的部门。随着“事物”数目的增添，一部门会以同样的速率增进，而另一部门会增进得更快。当增进相对于增进的总数变得更快（不是恒定的）时，那么它就是指数级的。

指数增进异常壮大，其最主要的特征之一是虽然起步缓慢，但它可以相当迅速地发生伟大的数目。或许有个小故事可以辅助我们更好地明晰指数增进。

传说中，一位智者获得了国王的犒赏，他请求国王奖励他，在棋盘的*格上放一粒米，第二格放两粒米，第二格放四粒米……以此类推，每个方格的谷物数目都是前一个方格的两倍。国王赞成了他的请求，但很如意识到填满棋盘所需的大米比整个王国都多，这将使他耗尽所有资产。

任何正方形上的颗粒数反映了以下规则或公式:

在这个公式中，k是正方形的数，N是正方形上的米粒数。

若是 k = 1(*个平方) ，则  N = 2⁰，即是1。

若是 k = 5(第五个平方) ，则 N = 2⁴，即是16。

这是指数增进，会随着平方的增添而增添。

为了进一步观点化这个问题，我们来看一个关于指数增进输入量与指数函数输入量之间关系的图表。如图所示，该函数的启动相对较慢，但很快就会到达任何一台经典盘算机都无法在足够大的输入尺寸下盘算的数字。

回到现实天下中的指数问题，质因数剖析。

以数字51为例，要花多长时间才气找到两个*的质数相乘获得它呢？若是熟悉这类问题，可能只需要几秒钟就能找到质数3和17，相乘获得51。事实证实，这个看似简朴的历程是数字经济的焦点，也是我们最平安的加密类型的基础。我们在加密中历程中，当用于质因数剖析的数字变得越来越大时，传统盘算机将越来越难以剖析它们。一旦你到达了一定数目的数字，你会发现纵然是最快的传统盘算机也需要几个月、几年、几个世纪、几千年，甚至无数个亿来盘算它。

有了这个想法，纵然在可预见的未来，盘算机的处置能力会每两年翻一番，它们也将始终与质因数剖析作斗争。在现代科学和数学的焦点，其他同样棘手的问题包罗某些分子建模和数学优化问题，这些问题有可能使任何敢靠近它们的超级盘算机溃逃。

量子盘算机登场

传统盘算机是严酷的数字盘算机，完全依赖经典的盘算原理和特征。而量子盘算机严酷来说是量子的，因此它们依赖于量子原理和性子，最主要的是叠加和纠缠，这使得它们险些具有事业般的能力来处置看似不能能解决的问题。

叠加

为了明晰叠加的观点，我们需要思量一个简朴的系统：双态系统。一个通俗的、经典的双状态系统就像一个开关，它总是处于一种状态(On)或另一种状态(Off)。然而，双态量子系统完全是另一回事。当我们丈量它的状态时，会发现它确实不是开着就是关着，就像经典系统一样。但在丈量之间，量子系统可以同时处于开态和关态的叠加状态。

一样平常来说，物理学家以为，在丈量之前讨论量子系统的状态(好比自旋)是没有意义的。有些人甚至以为，丈量量子系统的行为会导致它从一个不确定的模糊状态溃逃到你丈量的值(开或关，上或下)。虽然可能无法想象，但不能否认这种神秘的征象不仅是真实的，而且为解决问题的能力提供了一个新的维度，为量子盘算机铺平了蹊径。

纠缠

接下来是量子力学的下一个性子，我们需要行使它来确立量子盘算机。

众所周知，一旦两个量子系统相互作用，它们就会无可救药地成为纠缠在一起的同伴。从那时起，一个系统的状态将会提供关于另一个系统状态的正确信息，无论这两个系统相距多远。这两个系统可能相距数光年，但仍然能给出关于对方正确和即时的信息。

量子比特

量子比特/量子位在量子盘算中的作用与经典盘算中的一样: 它是信息的基本单元。然而，与量子比特相比，比特则彻头彻尾的无意义。虽然比特和量子位都天生两个状态(0或1)中的一个作为盘算的效果，然则一个量子位可以同时处于0和1两种状态之前。这听起来是不是很像态叠加原理？没错，量子位是*秀的量子系统。

正如传统盘算机是用开或关的晶体管一点一点构建的，量子盘算机则是由处于向上或向下自旋态的电子逐个量子位构建。正如处于开/关状态的晶体管串在一起形成在数字盘算机中执行经典盘算的逻辑门一样，处于上/下自旋状态的电子串在一起形成在量子盘算机中执行量子盘算的量子门。

我们现在走到了哪一步？

当英特尔(Intel)忙于生产每片有数十亿个晶体管的传统芯片时，天下*的实验盘算机科学家们仍在起劲制作一个拥有跨越少数目子位的量子盘算机“芯片”。IBM推出了天下上*的量子盘算机，它有50个量子位，这是一件大事。只管云云，这只是一个最先，若是类似摩尔定律的器械适用于量子盘算机，我们应该在几年内到达数百台，再过几年就会到达数千台，不需要10亿个量子比特就能在一些要害种别上胜过传统盘算机，好比素分类、分子建模和一系列传统盘算机现在还无法触及的优化问题。

守候突破的障碍

量子盘算机尚未成为主流的主要缘故原由是，天下上*秀的头脑和发现家仍在与高错误率和低量子位位数作斗争。当我们一起解决这两个问题时，我们将迅速增添IBM所说的每台盘算机的“量子体积”，这是一种可视化量子盘算机可以执行的有用盘算的*数目的方式。

简而言之，要让量子盘算腾飞，让量子驱动的macbook最先热销，我们需要更多的量子比特，而错误则要少得多。这需要时间，但至少我们知道我们的目的是什么，我们面临的是什么。

神话vs注释

虽然我们知道量子盘算机可以轻松地完成传统盘算机无法想象的事情，但我们并不真正知道它们是若何做到的。若是这听起来令人惊讶，思量到*代量子盘算机已经存在，请记着量子这个词。一个世纪以来，我们一直在使用量子力学来解决问题，但我们仍然不知道它是若何运行的。

量子盘算作为量子家族的一员，也是志同道合。迈克尔·尼尔森(Michael Nielsen)（基本上就是他写了这本关于量子盘算的书）令人信服地指出，任何关于量子盘算的注释都注定会失之偏颇。究竟，凭证尼尔森的说法，若是对量子盘算机的事情原理(即可以可视化的器械)有一个简朴的注释，那么它就可以在传统盘算机上举行模拟。但若是它可以在传统盘算机上模拟，那么它就不能成为量子盘算机的准确模子，由于量子盘算机凭证界说可以做传统盘算机无法做的事情。

凭证尼尔森的说法，*的冒充注释量子盘算的神话被称为量子并行。我们会经常听到量子并行的故事。量子并行性背后的基本头脑是，与传统盘算机差异，量子盘算机同时探索所有可能的盘算效果/解决方案(即在单个操作中)，而数字盘算机必须缓慢前进，按顺序查看每个解决方案。凭证尼尔森的说法，量子并行故事的这一部门大致是准确的。然而，他尖锐地指斥了这个故事的其余部门，接着说，在研究了所有的解决方案之后，量子盘算机挑出了*的一个。凭证尼尔森的说法，这是一个想象。他坚持以为量子盘算机和所有量子系统一样，其背后真正做的事情完全超出了我们的能力局限。我们只能看到输入和输出，而在这两者之间发生的事情是未知的。