量子的名称

量子(Quantum)的核心是“量”,这是指“一份一份”的不可分割性。在微观世界中,很多实体都具有了不可分割性,比如说能量、长度、电子、光,这些东西都可以被叫做“量子”。

因为这种不可分割性和宏观世界表现出来的连续性不一样,所以微观世界除了不可分割性以外,还有许多其他令人意想不到的物理性质。

量子计算为什么快?

对于一个传统的电子 bit ,它同时只能是 0 或者 1 ,而对于一个量子 bit (qbit),它处于 0 和 1 的叠加态(superposition)。这就导致对于一个 u8 的数据类型,如果我们希望从 0 枚举到 255 ,使用电子元件,我们需要执行 256 次指令,而对于一个量子元件来说,指需要执行 1 次就够了。

这也是量子计算为什么快的原因,因为它本身就是 “指数级并行” 的,一个 8 qbit 的元件,可以等价于 256 个同时并行的电子计算核心(相当于现在服务器领域比较流行的一个 256 核的 CPU 了),而一个 10 qbit 的元件,就等价于 1024 个 core 的 CPU 了,这在现在都属于旗舰产品了。量子计算并没有衍生成新的算法,但是原来那些 NP 问题,其时间复杂度是 ,当 的时候基本上电子元件就无能为力了,而如果让量子元件去计算,不过是 128 qbit 在一个瞬间就可以完成的计算量。这也是 量子安全 越来越被重视的原因。

不过为什么一个叠加了 0 和 1 的 qbit 就真的可以进行计算了?叠加并不是计算本身,这就好像有人问我 23 + 818 是几?我回答说反正是 0 到 1000 中的一个,这显然不是正确答案。我们将这些状态叠加到一起还是不够的,我们还需要在必要的时候将他们区分开来。

实际上,叠加和区分都依赖于量子的波动性。所谓的叠加态,其实就是指将不同状态的概率波叠加到一起的过程,而区分它们呢,量子计算目前依靠的是干涉。由一个很有趣的宏观世界类比,那就是声音。我们每天耳朵都浸润在许多声音环境中,音乐声和噪声相互叠加,就好像量子比特中的 0 和 1 的叠加态。而我们的耳蜗在收到叠加的声波后,利用的是不同频率的波对耳蜗不同部位会产生相应的共振,因此耳蜗可以区分音乐和噪声。

量子计算的难点

qbit 虽然很诱人,但是实际制造出合适的 qbit 并不容易。超导量子需要超低温环境,超低温环境需要大型制冷设备,导致量子计算机很占地方。