虽然无数次听过量子计算机的大名，但就像所有带“量子”两字的概念，人们大多不甚了然。

　　量子计算机的概念1980年代提出，投入研发20年，迄今还没有一台真正走出实验室。但传说它（将来会）很厉害。谷歌、IBM、阿里巴巴和许多初创公司在竞争，想第一个实现“量子霸权”，也就是让量子计算机在一个计算任务中快过传统计算机。

　　粗浅了解一点量子计算机的原理后，你会发现其实它和我们熟知的电脑差不了多少。

　　量子计算机：量子版的计算机 

　　“别把量子计算机想成全新的系统，它就是经典计算机的扩展版，处处模仿经典计算机。”安徽问天量子科技股份有限公司首席科学家、中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室韩正甫教授告诉记者。

　　韩正甫说，经典计算机以电压高低代表数字1或0，即为一比特（bit）。

　　而量子计算机里对应的是量子比特（Q-bit），那可能是自旋箭头向上或向下的一个电子，也可能是“立直振动”或“躺平振动”的光波……

　　传统计算电路由各种“逻辑门”组成，对应的就是量子计算机的各种“量子逻辑门”。都是根据一定的规则，变化存储位的0和1。

　　韩正甫说：“传统计算机是这么玩的：一排存储位写进去一个初值（比如10011001）。接下来若干步操作，每一步存储器里边的数都变换成另外一组数。走完程序停下来，把里面的数读出来，比如00101010，就是计算结果。”量子计算机同样如此。

　　量子计算机不同之处，是丘比特（Q-bit）特别灵活，没bit那么死板。它同时是0和1。比如：它是六成的0和四成的1。这让它有了超能力。学过一点量子力学才能理解Q-bit的奥妙。

　　模糊又精确的Q-bit 

　　什么叫“它是六成的0和四成的1”呢？

　　补习一下高中物理：20世纪初的实验发现，物质细小到极限，就无法被准确测量。因为测量意味着干涉，哪怕你只看一眼。当对象微小到了量子级别，它的状态会被观测彻底破坏。（顺便一说，“一触即溃”的效应被用于量子通信。用量子来承载密码，可以做到有人窃听这个密码信号，一定会被发觉。）这就叫“测不准原理”。东西越小，就越显得模糊。你去测量一个电子的位置，这次测出来在北京，下次测出来在天津。我们只能说一个量子“大概率在北京”，“大概率自旋箭头冲上”，“大概率平躺着振动”……

　　这些概率，是可以多次测量确定的，虽然单次测量的读数不一定。

　　所以量子比特是模糊的也是精确的：同一个数时而读出0，时而读出1；但多次去读，出现0的概率会趋于一个定值，比如说60%。

　　为什么量子计算更快？ 

　　“在传统计算机里，一个高电压叠加另一个高电压，仍然是一个高电压；量子比特的叠加则不同。”韩正甫说。

　　量子比特存储的是一个矢量，就好像一个时钟，时针对应着概率。

　　时针可以指向零点（量子比特读数100%是0），或指向三点（读数100%是1）。或指向一点半（50%是0，50%是1），或指向任意一个角度。

　　传统计算机存储的是“10011001”。

　　量子计算机存储的是“钟钟钟钟钟钟钟钟”。（请自行想象酒店大堂挂的一排钟表）

　　传统计算中，1和0叠加为1，再叠加一个1，得到0。

　　量子计算中，“三点”和“零点”叠加为“一点半”，再叠加“三点”，得到的是“两点一刻”。

　　比起bit，Q-bit更有表现力。一个Q-bit可蕴含无限复杂的数字。在这个意义上“以一抵多”。一个Q-bit投入变换，等于多位数字一起变换，即所谓“并行计算”。

　　并行计算潜力发挥到极限的情况下，量子计算机的算力比起传统计算机，是2^n∶1。

　　但要强调的是： 量子计算机的结果来自概率统计。量子计算机与传统不同，它要一次次重复程序，一次次地读数（每次结果都不一样）。周而复始，足够多次（让概率的可信度超过99.99999%）后，统计出各量子位为1和0的比例，那才是需要的数字。所以碰上不太复杂的计算任务，量子计算可能比经典计算机更慢。

　　彩虹与斑马 

　　有量子计算机之前，数学家就在畅想利用量子比特的“丰富内涵”大大缩减计算时间。不过迄今数学家只证明在两种场景中，量子计算大大快于传统计算机。

　　首先是破解RSA算法。RSA是现在最常用的加密方法，其机理是利用因数分解的困难——把两个大质数相乘很简单，而把乘积拆成两个质数，计算机可能得算几万年。

　　所以银行可以公开发送一个几千位的数字，并掌握它的两个质因数，而不担心有人算出这两个质因数——用于制造私有的数字钥匙。

　　但二十多年前Peter Shor证明一种基于量子计算机的算法，可以轻松分解因数，这也让学界研发量子计算机的兴趣大增。

　　另一种可能的应用是“搜寻未排序的大数据库”，或者叫“大海捞针”。传统计算机只能一个一个比对目标，而量子计算机则可以并行计算。传统计算机用时是T的话，量子计算机用时是“根号T”。前者要花费1百万小时的任务，后者一千小时就能解决。

　　除了以上两类计算，量子计算机还被寄希望于未来在化学、制药等领域大发神威。理由是：不同于传统计算机，量子计算机是真正的模拟计算机，可以重现真实的自然（物理学家费曼第一个指出这点）。

　　传统比特的0和1相当于黑白两色，量子比特的“可以指向任何角度的时针”就相当于全彩色谱，可显示出任何一种颜色。

　　如果说传统的存储器是斑马，量子存储器里就是彩虹。世界是多彩的，用彩虹去描绘世界，当然更直接，更便捷。

　　才刚起步 

　　量子很脆弱，动不动就会崩溃。

　　“要将信息编码在一个非常微小的东西上去，比如一个电子，或一个原子核，都首先要把它孤立开来，让它跟周边不作用。这种细微的控制是很难的。”韩正甫说。

　　各种量子载体都伴随着独特的困难，比如光子时刻前进，电磁场又左右不了它，操控起来很麻烦。目前研究者大概在实验几十种载体：电子、光子、陷阱里的离子……

　　韩正甫说：“隶属中科大的中科院量子信息重点实验室，现在正副教授就有50多人，在读的博士生有150人，博士后近30位，一个团队里有很多不同的组，研究的事情虽然互相可以理解，但术业有专攻，比如‘做硅’的就会去研究曝光、清洗等等半导体行业关心的工艺；‘做光’的研究激光发生器、振荡器、光纤之类。”

　　“国内从1980年代初开始量子光学研究。现在多了不少人，但还是个冷门。专业人才稀缺。”韩正甫说，“其实全世界人才都不够。所以谷歌花了几亿美元从加州大学圣芭芭拉分校挖了一个团队过来，主要研究超导量子计算机。”

　　目前各大公司和研究机构仍在提升量子比特量——争取几十个量子同时稳定，别太快塌陷。超导机器为了让环境接近绝对零度，成本高达成百上千万美元。工程实验机在进步，但几时走到实用还不知道。

　　回顾1946年第一台计算机ENIAC，用了18000个电子管，那是一种抽成真空电子飞行其中的玻璃管。ENIAC重30吨，每秒钟仅计算5000次。没有十多年后的半导体革命，就谈不上今天的电脑和手机。

　　应该说，量子计算机刚进入它的“电子管时代”。（记者 高博）