80年前在“量子糾纏”這個詞還沒有出現時，愛因斯坦便對這個現象表示深度懷疑，稱粒子這種遠距離的怪異行為根本是不可能的。而如今“量子計算機”已經成為本世紀一個標志性黑科技，其迅猛發展速度可以用“飛躍”一詞來形容。當量子應用與“計算機”聯系起來的那一刻起，我們人類就進入了一個“戲劇性”時代。
近日，美國《科學》雜志報道，由浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內機構聯合組成的團隊，開發出了20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控全局糾纏，刷新了固態量子器件量子比特數的世界記錄。不要覺得這個數字少，量子芯片每增加一個量子比特其運算能力將以指數倍增加。
中國造出20超導比特量子芯片
奇妙量子世界的冰山一角量子計算機概念起源于上世紀80年代著名物理學家費曼的設想：既然物質的本質就是量子的，我們能否造一臺遵循量子物理規律的計算機呢？讓我們一起走進這個奇妙量子世界的冰山一角-量子計算機。
量子計算是基于量子理論原理的一種技術，這種技術基于原子和亞原子水平上能量和物質的本質，就是量子力學中經典的一些現象，如量子疊加和量子糾纏。
1930年著名的思想實驗薛定諤貓，就旨在強調量子疊加現象的這種“荒謬性”，即量子世界里可以同時存在多個狀態，直到觀察或測量才能改變這種狀態的原理。如今量子計算機的“量子比特” 就是利用了這一原理。即每個量子比特以零和一的疊加的形式存在（即概率零或一）。量子比特芯片的開發對處理海量數據和實現以前無法達到的計算效率具有深遠影響，這也是量子計算機最誘人的潛力之一。
量子芯片
當薛定諤研究薛定諤貓時，愛因斯坦也正在觀察這種現象，他稱之為“幽靈行為”，這些粒子傳播速度似乎超越了光速，觀察到了糾纏在一起的電子。糾纏是指觀察到來自相同量子系統的粒子的狀態不能彼此獨立描述，即使它們相隔很遠，它們仍然是一個整體，如果你測量其中一個粒子，其余的粒子似乎立即就會“知道”狀態也會隨之發生變化。當前用于測量量子纏結粒子距離記錄是1200公里。
假如量子力學這種“不確定性”現象讓你感到困惑，不用奇怪，當初就連愛因斯坦和薛定諤都有這種感覺，薛定諤就曾說過：“我不喜歡它，我很遺憾自己曾經做過的這些量子力學研究。”
薛定諤的貓
量子計算機和傳統計算機有什么不同？目前世界各國研究機構所采用的量子計算方法各不相同，因此無法對其工作方式進行統一解釋。但都會遵循一個基本原理，這個基本原理就可以幫助我們了解經典計算和量子計算之間的區別。
傳統的電腦是二進制的，也就是說每個存儲單位只能存在兩種狀態中的其中一種，即0或1。如果將足夠多的這些單元組合在一起，則可以表示任何大的數字，并可以對其依次進行各種計算，計算機芯片越強大，運算速度就越快，互相訪問的速度也就越快。
量子計算機
而量子計算機與傳統計算機在兩個方面有所不同：
首先是量子疊加優勢，量子計算機使用的是量子比特，量子比特疊加就是兩個狀態可以“混合”存在，而不只是限定是0或1中的其中一個，可以理解為既是0也是1。這樣的優勢可以使量子計算機有更高的運行效率。
量子疊加
其次是量子糾纏優勢，這是一種獨特的量子物理現象，即不同粒子之間的關聯性，其中一個粒子量子態發生變化也會影響到其他粒子，當這個現象應用到量子計算機時，就意味著可以同時操控所有的粒子單位。也就是說，量子計算機可以同時完成所有單位計算，而不用像傳統計算機那樣只能一個接一個的數據運算。量子芯片內的亞原子粒子可以同時表現出無數狀態。
美國宇航局在2016年建造的量子計算機比傳統計算機速度快1億倍。
量子糾纏
如果我們把芯片中的存儲單位想象成地球，那么傳統計算機二進制狀態就相當于地球的“南北極”，如果北極是0，那么南極就是1。而在量子計算機的量子比特中，整個球體表面任何位置都可以容納無數這種狀態，并且在量子比特之間關聯這些狀態就能確定其相關性，所以量子計算機非常適合那種傳統經典計算無法勝任的各種特殊任務。
量子比特
關于量子比特計算運作原理，我們普通人能理解以上就已經足夠了。讓我們繼續談談量子計算機將如何幫助我們人類創造一個更美好的世界。
（以上部分資料引自IBM-TJ沃森研究中心量子計算實驗室）
未來量子計算機會實現哪些應用？造福人類的強大技術
傳統計算機的計算能力正在達到極限，如果繼續按照摩爾定律的發展趨勢，到2040年世界上所有電能都無法支撐現有計算機的功耗，除非能破解量子計算。
神奇的量子計算技術吸引著世界眾多巨頭對其潛在應用的開發，其本質目的是幫助擴展經典計算機的計算能力。量子計算機將比傳統計算機更有效地執行某些特定的任務，可以運行特殊的應用程序。量子計算機不會取代傳統經典計算機，實際上量子計算機需要傳統計算機來支持它們的運算能力，比如：系統優化。
量子計算機
系統優化
系統優化是量子計算機最直接，最有前景的應用之一，比如滴滴打車、共享汽車、如何給客戶提供最優質、最安全的乘車資源；交通管理系統如何提升分析交通流量的控制能力，更快速的計算最佳路線；而對于像阿里巴巴淘寶這樣的電商巨頭來說，可能最亟需解決的就是在雙11期間如何做出數十億訂單的成本效益分析。以上這些問題看似簡單，但卻要涉及到同時處理成千上萬的變量，這即使對現在最先進的超級計算機來說也是一個“不可能完成的任務”。
天氣預報/氣候模擬
與系統優化類似，現在天氣預報有時會出錯的原因就是超級計算機無法處理海量的環境變量，包括惡劣天氣數據收集，比如這次的“利奇馬”臺風。但使用量子計算機情況就不一樣了，氣象量子計算機不僅可以完美地預測近期天氣模式，還可以預測和評估更準確的長期氣候變化影響。
量子天氣預報
精準醫療/藥物開發
精準醫療也叫個性化醫療，解碼人體的DNA和每個人獨特的微生物組對于未來的醫生開出適合某個人身體的藥物至關重要。雖然傳統超級計算機在高效解碼DNA方面取得了長足進步，但對于“人類微生物組計劃”來說則遠遠超出了它的能力范圍，而未來的量子計算機卻可以完美勝任。
量子計算機還可以幫助大型制藥公司更好更快地模擬測試數百萬種藥物分子組合，從而顯著加快藥物開發速度并降低成本。
基礎科學
與上述應用類似，量子計算機的恐怖計算能力將幫助科學家和工程師能夠更快的設計出新的化學品和高科技材料，以及更強大功能的發動機，當然還包括更炫酷的兒童玩具。
另外英特爾的量子計算17-Qubit超導測試芯片還具有獨特的功能，可改善連接性、電氣和熱機械性能等。
量子科技
太空探索
如今的超級太空望遠鏡每天都在追蹤收集數以萬億計的海量星系圖像數據，還包括恒星，行星和小行星的運動數據。遺憾的是，對于今天的超級計算機來說，這些海量數據已經超過了其運算能力范圍，難以在其中篩選出更有意義的發現。但是，隨著將來成熟的量子計算機與人工智能技術的結合，所有這些數據最終將能得到有效處理，從而為人類的太空探索之旅打開新的大門。
人工智能
人工智能（AI）領域應用是讓科學家興奮的一個話題，因為這種改進的自然學習能力可以加快幾十年人工智能研究的進展。傳統計算機的人工智能學習算法需要大量的策劃和標記示例數據來學習訓練新的技能。而通過量子計算機，人工智能學習軟件就可以模擬人類大腦的學習模式，從而可以使用更少、更模糊的數據，通常只需很少的幾個指令即可以訓練學成新的技能。
量子AI
實時語音對話翻譯
量身定制的量子計算機還可以通過實時聊天軟件和耳朵中可穿戴設備或植入音頻設備，在任何兩種語言之間實現近乎完美的實時語言翻譯，從而終結翻譯這個職業。
不遠的將來，語言將不再是不同國家商業和日常溝通的障礙。例如，你可以更自信地與外國人建立商業合伙人關系，甚至你可以很容易找到一段跨國戀情。
數據加密/解密
量子計算在密碼學中也具有及其重要應用。諷刺的是，量子計算機的解密應用，是讓科研人員和國家安全機構都很緊張的一個應用。當前幾乎所有的加密服務都基于密碼，這些先進算法密碼的安全性，即使使用現代超級計算機也需要數千年才能破解，然而，量子計算機理論上可以在一小時內破解任何加密密鑰。
銀行、通信、國家安全服務以及互聯網本身都是依賴于可靠的加密功能。還有比特幣，因為它的核心技術就是加密。如果量子計算機像預想的那樣強大，那么上面提到的所有這些行業都將處于危險之中，最壞的情況就是會危及整個世界經濟，直到我們創建起新的量子加密體系來維持這個平衡。麻省理工學院數學家認為，量子計算機將會打破當前的互聯網的加密算法模式。這將構建可以承受量子攻擊的新數據加密方法，從而開啟“后量子加密時代”。
量子數據加密
量子計算機還將有助于推動解決其他領域的一系列難題，如能源、金融和航天等，量子計算機強大的運算能力還將幫助我們攻克疑難疾病，改善全球金融市場，疏通交通，應對全球氣候變化等。量子計算機還可能會對化學產生巨大影響。傳統計算機難以模擬某些化學反應，量子計算機將有望擔起重任。
量子計算機關于投資，專利，創業項目等方面的增長最新全球投資和專利申請數據反映了這兩個領域的上升趨勢。據《經濟學人》報道，2015年，全球20個國家量子計算研究方面總支出約為17.5億美元。歐盟以6.43億美元為首，美國為4.21億美元，其次是中國2.57億美元，緊隨其后的德國1.4億美元，英國1.23億美元、加拿大1.17億美元。同時，根據全球公司專利檢索，美國在量子計算相關專利申請中占據295項，其次是加拿大79項、日本78項，英國36項和中國29項。
奇妙的量子世界
量子計算機即便普及了能做什么呢？對我們普通人又有多大意義呢？就像第一臺家用電腦誕生一樣，當時人們也不清楚計算機到底能解決我們日常生活中的什么問題，但隨著家用電腦的普及，我們已經越來越離不開它。所以，當IBM第一臺小型量子計機誕生開始，人類就已經進入了量子計算機的時代。我們可能會發現更多新的需求，這將為我們尚未想象到的新應用開辟新的道路。
雖然現在的量子計算機還非常笨重，只能在專門搭建的極底溫度環境中工作，但相信在不遠的將來，量子計算機將會進入千家萬戶，應用到更廣闊的領域，在這個新的領域里一切皆有可能。
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