200秒完成一万年的计算？量子计算有何神奇之处？

IBM：别说了！你测试的算法在超级计算机上只需要2.5天！

谷歌：（ - ！）

这几天想必大家都看到过这样的新闻。谷歌和IBM几年前就投入了量子计算的研发，但目前仍没有重大进展。量子计算为何如此难以突破，困难又在哪里？本文将简要带您探索量子计算的奥秘。

什么是量子计算？量子计算的原理是什么？

普通计算机的检索指令采用二进制ASCII码，其原始密码表示为二进制0和1。我们所有的指令集都会转换成这两个数字进行操作，其最小单位是位。指令集表示为011011101001010011，是一个线性信号流。

量子比特的计算方法与传统计算机不同。量子计算的存储单元是晶体管，而不是超大规模集成电路。因此，单位计算中的最小单位是量子比特单位。这些单元嵌入在芯片中。芯片上用于处理信息的晶体管数量越多，量子计算机的处理能力就越强。

一个量子位可以同时代表两个数字0和1，而两个量子位可以代表四个数字0、1、2、3。四个量子位可以代表0、1、2.14，为十六个数字15、这个公式是按照2的N次方累加的。因此，每增加一个量子比特，量子计算机的性能就会以惊人的指数方式提高。目前已知最大的量子结构计算机是谷歌的53个超导量子比特，可以综合计算2的53次方的数据。

如何理解量子计算的处理速度？

这里我暂时引用一个简单的加密数据模型。传统的加密和解密中，存在两种不同的加密模型，即对称加密模式和非对称加密模式。对称加密模式很容易解释。例如，在第二次世界大战期间使用的摩尔斯电码是特定代码的另一个示例。只有加密者A和解密者B可以同时根据密码表进行加密和解密。两个人可以同时成为加密者和解密者。然而，这种对称加密方法并不适合量子计算。我们要挑战更困难的非对称加密方法。

非对称加密方式是加密者A设置密码后，将加密文件授权给解密者B，只有解密者B获得加密者A的密钥后才能成功打开该文件，但在传输过程中被小偷抓获C、窃贼C想要打开文件包，必须通过暴力破解的方式尝试密码的各个字段。这也是我们经常遇到的非对称密码。

试想一下，如果你无意中获得了一个RAR压缩包，而这个压缩包里却藏着许多不可告人的秘密。你打开压缩包的方法只有两种，一是抓到加密者A，拷打他，告诉他加密包的密钥，二是利用字典秘密破解压缩包，获取暴利。而这种方法也是最复杂也是最致命的一种。

传统的计算机密码有以下几种模式：英文大写、英文小写、数字、特殊字符，变量集合在于密码的长度N。传统互联网密码的常见长度在6-12 个字符之间，但也有很多更长的密码。也就是说，想要破解这个密码，需要通过字典尝试999999的四次方。如果需要破解12位密码，则需要999999999999的四次方，如此庞大的运算需要一一填写数字。破解难度极大，通常需要数天、数月、数年甚至十几年的时间才能让电脑24小时处于关闭状态。破解的难度是难以想象的。

量子计算的工作原理有所不同。它不会进行线性密码检测，而是会像克隆法师一样进行分裂破解。即，密码区域中的字符可以是0-9、A-Z、a-z以及特殊字符。任何一项。不经观察，它们都可能是正确的密码。观测开始后，量子计算运算方法会在极短的时间内同时释放包括0-9、A-Z、a-z在内的所有字符，模拟对六位密码的同时匹配。正确匹配后，只会出现正确的密码，试错操作将自动消失。在相同的设定条件下，存在且只有一组与其匹配的密码。如果你读过量子物理学，了解量子纠缠中的“薛定谔猫”理论，这个解释会相对容易理解。

那么谷歌真的实现了量子霸权吗？

事实上，从新闻的角度来看，笔者觉得霸权这个词是媒体过度炒作的产物。虽然量子计算具有革命性，可以突破现有的计算模式，但它还远远达不到霸权的定义。首先，它应该是垄断的、不可挑战的。但事实上，谷歌远不止是唯一一家开发量子计算的公司。

互联网技术和全球领先企业纷纷开展量子计算研究。空客、阿里巴巴、ATT、百度、谷歌、IBM、英特尔、微软等公司都建立了量子计算研究院，而中国的神威太湖智光和天河二号大家一定很熟悉。目前排名世界第一的是美国橡树岭公司拥有的Summit超级量子计算机。性能超过200PFlops，是神威太湖之光性能的两倍，也是地表已知最强大的计算设备。

量子计算真的离我们很远吗？

量子计算主要适用于通用模型的设计，具有大规模、容错性和通用性三大特点。普通人很难接触到量子计算机，但我们所有人都可以享受到量子计算带来的特定领域的研发收益。对此，金融资本比我们老百姓的嗅觉还要灵敏。

量子计算应用于智慧医疗、金融投资、环境工程、网络安全、云计算、人工智能等领域，为特定领域提供有效的解决方案。各国也在这一领域投入了大量资金。欧盟2018年投资10亿欧元实施“量子旗舰”计划，牛津大学投资2.5亿建立量子研究中心。荷兰在量子计算研究上投资了1.4亿美元，日本投资了3.6亿美元，加拿大投资了2.1亿美元。我国的阿里巴巴、百度、腾讯、国际超算中心等部门和机构均已入局。未来十年，量子计算的未来将呈现新格局。