大家好，我是Harry.。
今天我們聊聊一個(gè)有趣的話(huà)題，量子計算。字數真的不多，希望你們可以在5分鐘內讀完！
什么是量子計算
在本科的時(shí)候我的專(zhuān)業(yè)是電子科學(xué)與技術(shù)，有幸學(xué)過(guò)初級的量子力學(xué)（教材應該就是這本），異常痛苦，你們熟悉的薛定諤、貓（薛定諤的貓）、態(tài)函數等等里面都有，我還依稀記得期末考試總共就4道題，第一大題的第一小題好像是證明n維無(wú)限深勢井下薛定諤方程。雖然12年過(guò)去了，但印象特別深，因為......完全看不懂，但是人家考試過(guò)了。還記得當時(shí)的課堂老師是一個(gè)剛來(lái)不久的女老師，她說(shuō)如果物理學(xué)是一場(chǎng)舞會(huì )，那么量子力學(xué)就是這舞會(huì )上最耀眼、最閃亮、最奢華的禮服，雖然我并非從事相關(guān)的科研工作，但這句話(huà)多年以來(lái)我一直記得。同樣記得的還有當時(shí)系上有一個(gè)喜歡這位女老師的男同學(xué)，他個(gè)子不高，每次都會(huì )坐在第一排，手里拿一把扇子。有時(shí)他心情好的時(shí)候就會(huì )“唰”的一下將扇子甩開(kāi)，現出扇面上的那四個(gè)字：“簫短情長(cháng)”。
言歸正傳，自然界遵循量子力學(xué)定律（例如咖啡因這種分子），這是物理學(xué)的一個(gè)分支，它探索物理世界如何在最基本的層面上工作。在這個(gè)級別上，粒子以奇怪的方式運行，同時(shí)承擔多個(gè)狀態(tài)，并與其他非常遠的粒子相互作用。量子計算利用這些量子現象以新穎且有前途的方式處理信息。如果將我們今天使用的電腦稱(chēng)為經(jīng)典計算機（始于1950年代），幾十年來(lái)他們一直是這個(gè)世界的動(dòng)力。但是傳統計算機無(wú)法解決一些需要巨量算力的問(wèn)題，例如一杯咖啡中的咖啡因分子，它們不能夠模擬咖啡因并充分了解其詳細的結構和性質(zhì)，而這恰恰是量子計算有可能解決的挑戰。
量子理論是在二十世紀初發(fā)展起來(lái)的，它通過(guò)成功解釋原子和電子等微小粒子的奇怪行為，徹底改變了物理學(xué)和化學(xué)。在二十世紀后期發(fā)現它不僅適用于這些粒子，而且適用于信息本身。這導致了信息處理科學(xué)和技術(shù)的革命，為新型計算和通信打開(kāi)了大門(mén)。量子信息的基本單位稱(chēng)為量子位（Qubit），用于存儲和處理量子位的機器稱(chēng)為量子計算機。
經(jīng)典計算機以比特（Bit）編碼信息。每個(gè)位可以取1或0的值。這些1和0作為開(kāi)關(guān)，最終驅動(dòng)計算機里的各自功能。而量子計算機是基于量子比特（量子位）的，量子位根據量子物理的兩個(gè)關(guān)鍵原理進(jìn)行操作：疊加和糾纏。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，疊加意味著(zhù)每個(gè)量子位可以同時(shí)代表1和0。糾纏意味著(zhù)疊加中的量子比特可以相互關(guān)聯(lián)；也就是說(shuō)，一個(gè)人的狀態(tài)（無(wú)論是1還是0）可以取決于另一個(gè)的狀態(tài)。利用這兩個(gè)原理，量子位可以作為更復雜的開(kāi)關(guān)，使量子計算機可以解決當今計算機難以解決的難題。
疊加。每個(gè)量子位可以處于0的狀態(tài)、或者1的狀態(tài)、或者疊加態(tài)。疊加態(tài)是0態(tài)和1態(tài)的任意線(xiàn)性疊加，它既可以是0態(tài)又可以是1態(tài)，0態(tài)和1態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在。處于0的狀態(tài)有時(shí)被稱(chēng)為基態(tài)，因為在包括我們在內的量子計算的許多物理實(shí)現中，它是能量最低的狀態(tài)。
糾纏。每個(gè)量子位通過(guò)測量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現出0態(tài)或1態(tài)。糾纏這種特性并不存在于目前的經(jīng)典系統中，并不像“疊加”那樣好理解。量子糾纏是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統中相互影響的現象，雖然他們在空間上可能是分開(kāi)，甚至相距遙遠。當其中一個(gè)粒子被測量或操作而狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì )即刻發(fā)生相應的狀態(tài)變化。雖然愛(ài)因斯坦將量子糾纏稱(chēng)為“spooky action at a distance”，但這里面其實(shí)沒(méi)有“主觀(guān)的行動(dòng)”，只是體現了兩個(gè)量子比特隨機行為之間的相關(guān)性。而這種相關(guān)性只能再比較了兩次的觀(guān)察值之后才能被識別到。在糾纏狀態(tài)下，雖然系統局部可能不能被確定地描述，但整個(gè)系統是可以被確定地描述的。量子計算機以糾纏態(tài)存在的能力是其額外計算能力的重要組成部分，也是量子計算區別于其他經(jīng)典計算的地方。
量子比特可以同時(shí)存儲0和1，考慮一個(gè)N個(gè)物理比特的經(jīng)典存儲器，則它只能存儲2^N個(gè)可能數據當中的一個(gè)，而如果是量子存儲器，則它可以同時(shí)存儲2^N個(gè)數，而且隨著(zhù)N的增加，去存儲信息的能力指數上升，例如一個(gè)250量子比特的存儲器（由250個(gè)原子構成）可能存儲的數達2^250個(gè)，比現有已知的宇宙中的全面原子數目還要多。
想象一下包括2位經(jīng)典比特的存儲器，它可以代表00，01，10，11這4個(gè)二進(jìn)制數中的任意一個(gè)，而2位的量子位存儲器則可以同時(shí)存儲這4種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。
數據的存儲是一方面，數據的計算是另一方面。由于數學(xué)操作可以同時(shí)對存儲器中的全部數據進(jìn)行操作，因此，量子計算機在實(shí)施一次的運算中可以同時(shí)對2^N個(gè)輸入數進(jìn)行數學(xué)運算。其效果相當于經(jīng)典計算機重復實(shí)施2^N次操作，或者采用2^N個(gè)不同的處理器實(shí)行并行操作。量子計算機可以節省大量的運算資源，理論上極大地提高運算效率。
首先，原子改變能量狀態(tài)極快——比現在最快的經(jīng)典計算機(CPU)都要快得多。其次，考慮到問(wèn)題的類(lèi)型，每個(gè)量子位能代替一個(gè)完備的處理器——這意味著(zhù)1000個(gè)鋇離子能代替一個(gè)有1000個(gè)處理器的計算機?，F在的關(guān)鍵問(wèn)題是要找到量子計算機能夠解決的合適問(wèn)題。如果試圖把量子計算機做成適合日常使用的放在我們桌面上的計算機是不太現實(shí)的，因為它們不是很適合做類(lèi)似文字處理和收發(fā)E-mail的工作（HH：很顯然這與量子糾纏沒(méi)什么關(guān)系）。大規模的加密術(shù)或許是量子計算的很好思路。另外，大規模數據庫的建模和檢索也是量子計算機能勝任的工作。
IBM Quantum Experience
這里真的不是打廣告，IBM是將量子計算商用并開(kāi)放給公眾使用的先驅者之一。去年IBM在Yorktown的實(shí)驗室構建了5個(gè)量子位的量子計算機，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將這個(gè)量子計算機的圖形化程序編寫(xiě)能力開(kāi)放給公眾使用（后來(lái)好像還開(kāi)放了16位和20位的），我們可以在線(xiàn)上直接申請，開(kāi)始體驗量子計算的編程。不能光說(shuō)不練，我也上去體驗了一把，網(wǎng)址如下：
?。╤ttps://quantumexperience.ng.bluemix.net/qx/editor）
在里面我們可以看到有不同數量量子位的計算機信息，有20位的、16位的，以及我使用的5位的：
而用戶(hù)可以通過(guò)Quantum Composer這個(gè)圖形化的界面來(lái)編寫(xiě)一個(gè)量子處理器：
通過(guò)將控件拖拽的方式完成一小段算法的構建。無(wú)奈我個(gè)人覺(jué)得尚且難以理解，當下也沒(méi)有時(shí)間去深究，所以把標準答案先貼出來(lái)看看......慚愧慚愧
Deutsch-Jozsa算法
Shor算法
那么問(wèn)題來(lái)了。
非對稱(chēng)加密技術(shù)的數學(xué)難題是大數的因子分解，不能破解的理論依據是計算機不能在合理的時(shí)間內計算出密鑰的值，使得破解成本高于被破解的信息所帶來(lái)的價(jià)值。按照現在的算法，破解1024位密鑰的非對稱(chēng)加密可能需要超級計算機運算數十年至數千年。而量子計算從理論上說(shuō)，破解1024位密鑰的非對稱(chēng)加密只需要幾秒鐘，這導致非對稱(chēng)加密算法不能破解的理論依據不再成立。
那么現在的區塊鏈呢，作為目前“最強的盾”，在可以預見(jiàn)的未來(lái)，能否經(jīng)得住量子計算這個(gè)新的“最強的矛”呢？是否也需要量子密碼術(shù)或抗量子密碼技術(shù)來(lái)構成量子區塊鏈呢？那萬(wàn)一對面的破解工具是基于量子機器學(xué)習的呢？
呵呵。
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