量子计算是一种全新的计算模式，利用量子力学原理来实现超越传统计算机的计算能力。量子计算机能够在短时间内处理非常复杂的计算任务，这使得它在加密、优化问题求解、药物研发等领域具有巨大的潜力。

传统计算机使用二进制位（0和1）来进行计算和存储数据，而量子计算机则利用量子比特（qubit）来进行计算和存储数据。量子比特具有量子叠加态和量子纠缠态等特性，这使得量子计算机可以在短时间内处理大规模的并行计算，从而实现超越传统计算机的计算能力。

量子计算在加密领域具有重要的应用。传统的加密算法（如RSA算法）依赖于大质数的因式分解，这需要非常长的计算时间。而量子计算机可以通过量子并行算法（如Shor算法）在短时间内解决大质数的因式分解问题，从而破解传统加密算法。因此，量子计算机可以在短时间内破解传统加密算法，对于网络安全和数据保护带来了挑战和机遇。

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量子计算的原理

量子计算是指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。从原理上来说，经典计算通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据是“1”还是“0”，对应的是经典比特。而量子计算机使用的量子比特，能够同时具备“0”和“1”的两种状态，我们称之为量子比特。就像开灯一样，传统计算机只能开灯或者关灯，结果显示的只是灯亮或者不亮，而量子计算机的“开关灯”是一个调节的过程，就像旋转按钮一样，可以从暗逐步调到亮，让亮度更加精准化。

量子比特是量子计算机的基本信息单元。与常规计算机使用的非0即1的二进制码不同，量子比特可同时以0和1的状态存在。这种不确定性来源于物理学中的量子叠加：一个量子系统能同时存在于多个分离的量子态中。量子比特可以同时具有两个或两个以上的多重状态（叠加态），这种现象就是量子叠加。打破叠加态的方法是测量。

量子计算机的计算过程便涉及通过测量量子比特，使其量子态坍缩为0或1。这就使得量子计算机与我们日常生活中接触的计算机甚至是超级计算机都有着巨大差别。普通计算机每一比特（bit）仅能存储两种可能状态：非0即1。但量子计算机不同。由于量子叠加，每个量子比特理论上可同时存储0或1这两种状态，这使得量子比特拥有比比特更大的信息存储能力。比如，由于2的8次方等于256，故具有8比特的二进制计算机能表示0到255之间的任一个数字。但具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字。

一旦量子比特数达到50个以上，它就能在处理某些特定问题时展现超越超级计算机的运算能力。理论上，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过现今世界上最先进的超级计算机“天河二号”。

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当代关注量子技术的三大驱动力

第一个驱动力是量子科学本身就需要不断发展。“量子纠缠”这一概念曾不被爱因斯坦接受，但实验最终证明量子纠缠是真实存在的。2022年诺贝尔奖颁给了量子纠缠的三位先驱，他们不仅证明量子纠缠的存在，还进一步把量子纠缠现象推向应用，证明量子纠缠可被用于量子通信和量子计算。我国“墨子号”量子科学卫星后来也再次验证了在上千公里之外量子纠缠也是存在的。

第二个驱动力是需求。当今无论是数字经济还是数字时代、无论是元宇宙还是人工智能，算力决定一切。我们今天的超算、芯片等的算力已经到达天花板，而另一方面，现在的大数据每两年翻一番，对算力的需求越来越大、要求越来越高。因此，正是信息时代在呼唤颠覆性的智能技术来处理大规模的、无序的数据。

第三个驱动力是人类对微观世界的精确操控能力达到新高度。我们对原子、光子等微观粒子能够进行精准地操控，量子体系的相干寿命跟十几年前比大幅度提升，已经从纳秒量级提高到微秒、毫秒、秒、分钟、小时甚至天这样的量级。

量子计算机能够展示出远比经典数字计算机强大的算力。这是为什么全世界都对量子计算如此关注和痴迷的根本原因。

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量子计算需要满足的条件

要完成量子计算，需要满足一些内外条件。以下是一些必要的条件：

1.量子比特：量子计算是基于量子比特（qubit）而非传统比特（bit）的。量子比特有许多特殊的性质，包括叠加和纠缠，这些性质使得量子计算能够超越传统计算机。因此，为了进行量子计算，需要具备大量的可控的量子比特。

2.量子门：量子计算的核心是量子门（quantum gate）。量子门是指将一个或多个量子比特转换为其他量子比特的操作。与传统计算机中的逻辑门不同，量子门是线性变换，可以使量子比特之间相互作用。因此，要实现量子计算，需要大量的高质量量子门。

3.量子纠错：量子比特容易受到噪声的干扰，这可能导致计算出现错误。因此，为了在量子计算中进行精确的计算，需要使用量子纠错技术，以消除噪声干扰。

4.量子难题：量子计算机可以破解传统计算机无法破解的密码，因为它们可以利用量子并行性在多个可能的解决方案中搜索正确的答案。这使得量子计算机具有巨大的破坏性，但也可能对加密通信造成威胁。因此，要保护数据安全，需要研究新的加密算法，并开发新的安全协议，以应对量子计算机的挑战。

5.制冷技术：由于量子计算机需要进行精确的量子控制，因此需要将量子比特冷却到接近绝对零度的温度。这需要使用制冷技术，包括使用低温超导材料、激光冷却和离子阱等技术。

6.高性能计算机：为了模拟和设计量子计算机，需要使用高性能计算机来模拟量子计算机的行为，并进行量子算法的研究和优化。

要完成量子计算，需要大量的量子比特和高质量的量子门，以及量子纠错技术和新的加密算法来保护数据安全。此外，需要制冷技术来保持量子比特的稳定，并使用高性能计算机进行模拟和研究。

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量子计算改变世界的四种方式

（一）促进新药和新材料研发

凭借其极高的处理能力，量子计算机将能够通过量子模拟同时研究多种化学物质，标准计算机目前无法做到这一点，从而使科学家们能比现在更快、更高效地开发新药。此外，量子模拟还可以取代实验室实验降低研究成本，甚至最大限度减少对人体和动物实验的需求。

（二）在金融领域“大显身手”

量子计算机可以为金融业带来巨大的潜在利益—从更深入的分析到实现更快的交易等。事实上， 许多主要金融机构正在想方设法借助量子计算促进交易提高数据传输速度。比如，

IBM和摩根大通等银行一直在做量子技术实验， 希望借此优化交易策略、投资组合，更好地进资产定价以及险分析等。量子计算机在金融领域的另一个潜力是在应用于金融建模。对于世界各地的金融机构来说，能更好地进行金融建模，意味着处理成本更低，交易速度更快。这是双赢的结果。

（三）应对气候变化“一臂之力”

首先，量子计算机的整体能耗将低于传统计算机。例如D-Wave的20000量子计算机的能耗比IBM的“顶点”(Summit)超级计算机低4个数量级，后者是世界上最强大的计算系统之一。此外专家预测量子模拟有助于实现联合国可持续发展目标。例如，量子计算机可以加速发现新的二氧化碳催化剂，确保二氧化碳更有效地循环同时产生有用的氢气一氧化碳等气体。

（四）量子安全应予以重视

《福布斯》杂志网站在报道中指出，尽管量子计算机会给人类带来巨大的好处，但同时也可能会带来风险。比如在信息安全领域，量子计算机将有能力突破目前人们保护信息时广泛依赖的公钥加密，这意味着数据无论现在多么安全，未来在量子计算机面前可能都不堪一击。对于任何需要保护敏感信息的组织来说，这是一场灾难。尽管各国政府和企业对量子计算机投入了大量资金，但对量子安全的投入却很少，而量子安全对于我们迈入量子时代至关重要。

文章来源： 桂林科普小达人， 北大光华深圳分院， 谷围传媒