量子計(jì)算機(jī)為何如此強(qiáng)悍，比超算快上億倍，基本原理是什么？

一提到量子計(jì)算機(jī)，大家的第一反應(yīng)就是快，具體能有多快呢，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在地表最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)在幾億年都運(yùn)算不完的問(wèn)題，用量子計(jì)算機(jī)只需幾秒就能搞定。

量子計(jì)算之所以可以如此快，其本質(zhì)在于基層運(yùn)算邏輯和電子計(jì)算機(jī)完全不同。

如今我們所處的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，其底層邏輯都是基于單向運(yùn)行的二進(jìn)制來(lái)開(kāi)展的。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的核心就是CPU，而CPU的本質(zhì)就是由無(wú)數(shù)個(gè)晶體管構(gòu)成的大號(hào)控制器，每一個(gè)晶體管就像是一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和閉合表示0和1，而0和1的二進(jìn)制組合可以表示任何數(shù)字，字母以及像素點(diǎn)。所以屏幕上呈現(xiàn)的文字和照片都可以用最基本的0和1的組合表示。

但是0和1的組合是線(xiàn)性過(guò)程，要想表示更多的信息，0和1的組合的長(zhǎng)度也會(huì)更長(zhǎng)。

經(jīng)典的CPU在處理二進(jìn)制時(shí)，一次操作只能處理一次，信息越多，CPU處理的時(shí)間就越長(zhǎng)。

量子計(jì)算機(jī)之所以快，是因?yàn)椴辉俨捎枚M(jìn)制這種看起來(lái)簡(jiǎn)單線(xiàn)性的操作方式，而是采用量子位，也就是量子比特。

可能很多人對(duì)量子比特的概念比較陌生，但是經(jīng)常看我視頻的粉絲肯定對(duì)量子力學(xué)有一定的了解。

量子力學(xué)是研究微觀世界的一門(mén)學(xué)科，具體來(lái)說(shuō)，微觀世界就是次原子世界，也就是比原子還小的那些粒子構(gòu)成的時(shí)空。

而微觀粒子的運(yùn)動(dòng)和宏觀物體完全不同，微觀粒子具有波粒二象性，量子疊加態(tài)。

通俗一點(diǎn)說(shuō)，微觀粒子可以同時(shí)處于多個(gè)位置。而這些位置分布可以彌漫整個(gè)宇宙空間，所以微觀粒子就特別像是波，而大部分時(shí)候波的能量往往會(huì)聚集到某一個(gè)固定的空間尺度上，從而形成波包，而波包就是我們常常說(shuō)的粒子狀態(tài)，如果波包比較分散，這時(shí)候微觀粒子就更像是一條波。這也就是粒子波粒二象性的體現(xiàn)。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，微觀粒子的內(nèi)稟屬性就是模糊，不確定的。這種性質(zhì)也造就了量子疊加的特異現(xiàn)象。

量子疊加就是量子系統(tǒng)的量子態(tài)，可以是幾種不同量子態(tài)中的任何一種，通俗一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，一個(gè)粒子在測(cè)量之前可以處于多種狀態(tài)，比如電子的自旋，它是內(nèi)在角動(dòng)量的表現(xiàn)，未測(cè)量前，電子即可以處于上旋狀態(tài)，也可以處于下旋狀態(tài)。而一旦測(cè)量電子的自旋，要么就是上旋，要么就是下旋，這時(shí)候疊加態(tài)就會(huì)消失。

量子計(jì)算機(jī)的本質(zhì)就是利用微觀粒子可以處于疊加態(tài)的特性制造的。

然而，微觀粒子的量子疊加態(tài)很容易受到外界的能量干擾，導(dǎo)致疊加態(tài)坍塌，也就是從量子態(tài)過(guò)渡到經(jīng)典態(tài)，這就是量子退相干。

如果要想量子計(jì)算機(jī)持續(xù)運(yùn)行，就得一直保證粒子處于疊加態(tài)，這就對(duì)外界的環(huán)境要求極為苛刻。

所以，量子計(jì)算機(jī)必須待在“冰箱”里，這種冰箱所提供的溫度僅僅只能比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)，以杜絕外界粒子的能量干擾。

只有這樣，粒子的疊加態(tài)才能持續(xù)維持住！

我們可以想象一個(gè)量子位的自旋疊加態(tài)代表0和1，在沒(méi)有對(duì)量子位操作之前，量子位可以處于0和1的任何狀態(tài)。

其實(shí)量子位可以用任何基本粒子來(lái)代替，比如，電子，光子，這是因?yàn)槲⒂^粒子都具有疊加態(tài)，用哪一種粒子都無(wú)所謂的。但是考慮到粒子的操作難度和制作成本，我們一般采用光子作為量子計(jì)算的基礎(chǔ)粒子。

在數(shù)學(xué)上，我們可以將疊加態(tài)寫(xiě)成│ψ>，其中psi代表的是波函數(shù)，表示量子位的疊加，α平方表示疊加態(tài)處于0的概率，β的平方表示疊加態(tài)處于1的概率。但不管如何，0或1的總概率必須為100%，

所以α的平方加上β的平方就必須等于1。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制中，如果我們選擇α為1的話(huà)，那β就必然就為零。反之亦然。

但是在量子計(jì)算機(jī)中，只要滿(mǎn)足α2+β2＝1，α和β就可以在公式成立的前提下，取0到1之間的任何值。比如當(dāng)α取1/√2，那β的取值也就是1/√2。

正是因?yàn)棣梁挺碌娜≈翟跐M(mǎn)足公式的前提下，可以取任何值，所以，理論它們就能處理無(wú)數(shù)個(gè)問(wèn)題。

比如當(dāng)輸入的量子位為1時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)的一個(gè)結(jié)果，輸入量子位為0的時(shí)候，又輸出一個(gè)結(jié)果。除此之外，當(dāng)輸入量子位處于0~1的任何一個(gè)數(shù)字時(shí)，就會(huì)輸出相對(duì)應(yīng)的結(jié)果。所以我們就可以通過(guò)量子位的疊加，同時(shí)處理介于0到1之間的任何數(shù)值的運(yùn)算。

但要注意，量子計(jì)算機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候是不能測(cè)量的，因?yàn)闇y(cè)量行為會(huì)導(dǎo)致疊加態(tài)坍塌，這就會(huì)造成一個(gè)問(wèn)題，輸出的結(jié)果是以概率的形式呈現(xiàn)的。而我們?nèi)绻ㄟ^(guò)量子計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題，就必須得到確定的，也就是經(jīng)典的結(jié)果。不然的話(huà)，量子計(jì)算運(yùn)行的結(jié)果就會(huì)造成混亂數(shù)據(jù)的局面。

這就需要量子編程科學(xué)家，通過(guò)極其復(fù)雜且精妙的設(shè)計(jì)程序，提高精確答案的概率，這就是量子糾錯(cuò)。

那我們應(yīng)該怎么操作，才能提高量子糾錯(cuò)的能力？

由于疊加態(tài)就和波一樣，如果要想獲得精確的答案，我們就需要對(duì)錯(cuò)誤的結(jié)果進(jìn)行破壞性的干擾，有目的且精確的干擾，盡可能排除掉所有的錯(cuò)誤項(xiàng)，這樣就會(huì)提高獲得正確答案的概率。

如果量子糾錯(cuò)的能力越強(qiáng)，那么量子計(jì)算獲得正確答案的概率也就越高，這樣一來(lái)，量子計(jì)算機(jī)才能真正步入商業(yè)化。