量子计算（一）：量子计算是什么

​量子计算是什么

前言

当传统计算模式趋近瓶颈时，下一代计算模式的重大变革也即将来临。在不久的将来，量子计算可以改变世界已经成为了共识。

一些大公司已经开始将量子计算研究视为一场竞赛。谷歌、IBM、英特尔和微软都在持续的扩大他们的量子计算研究团队，国内阿里、百度、本源量子等一批企业也在飞速成长中。

要成为科技强国不是一代人的事，必须要有传承，这离不开量子信息人才的教育和培养。希望这个栏目能给大家科普关于量子计算的基础知识，能有更多的人才投入量子计算研究当中。

一、什么是量子

量子就是能表示物质特性的物质最小单元的统称。我们中学课本学到的分子、原子和电子其实都是量子的不同形式。比如，水分子就是水的量子。量子力学研究的就是这些最小单位的运动规律。量子科技就是研究如何把微观物质的运动规律，运用到宏观生活的科学技术。

1、量子态叠加性

量子状态可以叠加，因此量子信息也是可以叠加的。这是量子计算中的可以实现并行性的重要基础，即可以同时输入和操作个量子比特的叠加态。在宏观世界我们的状态都是确定的，也就是说，同一时间我们只能出现在一个地方。而在量子世界里，在不被观测的情况下，你可以既在深圳又在广州，既在摸鱼又在工作。

2、量子态纠缠性

两个及以上的量子在特定的（温度、磁场）环境下可以处于较稳定的量子纠缠状态，基于这种纠缠，某个粒子的作用将会瞬时地影响另一个粒子。爱因斯坦称其为“幽灵般的超距作用”。简单来说就是，两个“纠缠”的量子会产生“心电感应”，不管隔多远，它们的状态会保持链接。比如，有两个纠缠的电子，你观测到其中一个电子在“下旋”，那么不管隔多远，另一个电子必定在“上旋”。

二、什么是量子计算

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。在理解量子计算的概念时，通常将它和经典计算相比较。如上图，经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算，而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算和现有的计算模式完全不同，它借助量子力学的叠加特性，能够实现计算状态的叠加，它不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态（superposition）。

普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位比特（quantum bit，简称：qubit）寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的递增，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度；加上量子纠缠（entanglement）等特性，理论上，量子计算机相较于当前使用最强算法的经典计算机，在一些具体问题上，有更快的处理速度和更强的处理能力。

​