量子计算机有多可怕,一秒破译全世界所有密码！

量子计算是什么？

在经典计算机里，存储的信息单位是比特（bit），比特使用二进制，也就是说一个比特表示的不是“0”就是“1”。

但是，在量子计算机里，情况会变得完全不同，量子计算机的信息单位是量子比特（qubit），量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，甚至还可以是“1”和“0”的叠加状态（superposition），即同时等于“0”和“1”，而这种状态在被观察时，会坍塌成为“0”或是“1”，也就变成了确定的值，其实也就和经典量子理论“薛定谔的猫”是一个道理（把一只猫放到一个不透明的特殊盒子中，在打开盒子前，这只猫既可能是死的，也可能是活的，打开后，两种可能性才坍塌到其中一种）。除此之外，两个量子比特还可以共享量子态，无论这两个量子比特离得多远，也就是所谓的“量子纠缠”（entanglement）。

量子比特的这种特性会带来什么好处呢？

理论上，2个量子比特的量子计算机每一步可以做到2的2次方，也就是4次运算，所以说，50量子比特的运算速度（2的50次方=1125亿亿次）将秒杀最强超级计算机（目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光，运算速度是每秒9.3亿亿次）。

说得再具体一点，拿《火影忍者》举例的话，那就是佐助是经典计算机，鸣人是量子计算机，要找一个东西，佐助只能自己一个一个地方跑去找，也许要找一年。

但是鸣人可以分出5个影分身，然后5个影分身再分出5个影分身，分身的分身再分身，所有分身都同时去不同的地方，瞬间找到东西，然后分身收回，只剩一个鸣人，取回东西，完成。

虽说理论上来说，量子计算机计算能力惊人，但是量子计算机也存在致命的缺点，主要有两点，这也是量子计算机一直发展缓慢的主要原因，第一是非常不稳定，需要低温运行，第二是精度差，错误率高。

成也萧何败萧何，量子计算之所以能达到如此神速，就是因为量子比特的叠加状态和量子纠缠，但与此同时，量子叠加和纠缠状态是极度脆弱的，不能受到一丁点干扰，量子计算机必须在极度低温条件下工作，低到什么程度呢？零下273摄氏度差不多吧，这就好比拿一根很细很细的针顶起一个鸡蛋，稍有干扰，结果就会变得一片狼藉。

其次，因为量子比特的不稳定性，量子计算的精度也存在问题，保真度（fidelity）不高。保真度是什么呢？打个不恰当的比方，就好像你拿100块钱去银行柜台存了又取，取了又存，来回几次，最后取回来的钱却只有60了，那保真度也就只有60%。

而且就算这些问题都可以得到解决，量子计算机对于处理日常任务并没有什么用处，对于普通人的生活影响不大。但在某些特殊领域里，量子计算机有传统计算机所不具有的能力，比如在化学和材料学里模拟分子结构，还有处理密码学、机器学习的一些问题，后文会详细说到，在此不赘述。

科技巨头混战，量子霸权到底是真是假？

正因量子计算机有很多经典计算机所无法比拟的优点，目前谷歌、IBM、英特尔等科技巨头都已纷纷入局，抢夺高地。而这其中，“50量子比特”成为一个重要门槛。

2017年11月的《自然》杂志采访中，谷歌量子计算专家约翰·马丁尼（John Martinis）提出，当一台量子计算机具有大约50量子比特的时候，其计算能力和速度将超过世界上任何计算机，能解决经典计算机所解决不了的问题。

因此，业内也将达到50量子比特的计算机称为达到了“量子霸权/量子优越性（Quantum Supremacy）”，即50量子比特的量子计算机优于现在市面上的任何一台经典计算机。

那我们到底离“量子霸权”还有多远呢？

一方面，科技巨头们都宣布了不少量子计算领域的技术突破，不少媒体也对此加以渲染，称他们离“量子霸权”只有一步之遥，而另一方面，客观来说这些巨头离达到量子霸权还很远。

实现量子霸权的方式，即做出能超越经典计算机的量子计算机的方式有很多种，包括单光子量子计算、超导量子计算等。

英特尔这个月交付的49量子比特（qubits）超导量子计算测试芯片“Tangle Lake”，这块芯片是英特尔与其学术界合作伙伴QuTech合作完成的，该款芯片是基于超导体，要求非常低的工作温度约-273摄氏度。尽管如此，英特尔还在研究基于更传统半导体的“自旋量子比特”。

据英特尔称，自旋量子比较像一个类似于传统晶体管的单电子晶体管。此外，英特尔还宣称已经开发出一种在300毫米硅晶片上制造自旋量子比特的工艺。虽然英特尔的这款量子芯片非常值得肯定，但是，做出量子芯片和做出量子计算机是有区别的，做出了50量子比特的量子芯片也不意味着能做出50量子比特的量子计算机，而且量子计算机的计算速度也不仅仅是由量子比特数目所决定，同时还应该要保证量子计算机的精度和保真度。

谷歌是最早进军量子计算机的公司之一，在2015年，谷歌约翰·马丁尼团队联合NASA和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵，谷歌当时还宣称将要在2017年年底做成49量子比特量子计算机，不过很可惜，目前还没有关于此事的消息。

2017年11月10日，IBM对外宣布，已经研发成功20量子比特的量子计算机，可在年底向付费用户开放，同时，IBM还成功开发了一台50量子比特的原型机，但是IBM Q研究副总裁达里·奥吉尔（Dario Gil）表示，量子比特数量增加只是一方面，处理的量子比特数越多，量子比特之间的交互就会越复杂，因此，50量子比特的原型机虽然有更多的量子比特，这些量子比特的叠加态、纠缠态也会造成错误率很高的结果，无法保证精度和保真度，所以它不见得会比5量子比特的计算机更实用、更强大。

除此之外，各个巨头还推出了一些量子计算机的开放平台，比如IBM在2017年推出了量子计算服务IBM Q系统（20量子比特量子计算云服务），这个系统的前身是IBM在2016年开放的Quantum Experience系统（5量子比特量子计算云服务），这两个系统可以提供给用户试用IBM公司所造的5量子比特和20量子比特的量子计算机。除了IBM，微软也在2017年12月推出了自己的量子计算机开发包（Quantum Development Kit），可以让用户在其开放平台上，用专用量子计算机编程语言Q#进行编程。

除了科技巨头的参与，初创公司的表现也非常亮眼，在2011年，加拿大初创公司D-Wave推出了具有128个量子比特的D-Wave One型量子计算机，这个初创公司吸引了很多人的眼球，它使用的是“量子退火”算法（Quantum Annealing），但是，D-Wave One到底算不算真正的量子计算机还存在争论，因为，虽然这种算法确实实现了量子比特，但是量子比特之间基本没有量子纠缠，所以严格来说不能算真正的量子计算机。不过，这款量子计算机确实在一些领域可以超越经典计算机。

国外巨头和初创都在争分夺秒的研发量子计算机，同时，国内大佬也坐不住了，在2015年的时候，中科院宣布与阿里巴巴旗下阿里云共同成立量子计算实验室，并于2017年5月宣布造出第一台光量子计算机。中科院和阿里的这个光量子计算机，实现的是10量子比特。

总的来说，真正的“量子霸权”不仅仅是光看量子比特数的竞赛，就算做到1000量子比特，无法做到系统的可控性和可靠性，也算不得是量子霸权，这也是为什么2015年时，谷歌实现9个超导量子比特的高精度操纵就足以让全世界惊叹。

量子计算理论和技术的发展历程

了解了量子计算机领域激烈的巨头混战，那么量子计算理论的发展又是怎么样的呢？

量子计算理论从首次提出到现在已经有三十多年，在1981年时，诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）首次提出量子计算机的概念。

1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机，这也是在量子计算理论提出十多年后的第一次实验。

自此，投资者开始发现量子计算机的可行性，也许量子计算机未必会有那么多运算错误，也许可以尝试造出一台处于稳定状态的量子计算机。

随后的十几年，无数的资金进入量子计算研究领域，量子计算迎来了很多技术研究进展：D-Wave的量子退火、英特尔的硅量子点等等，这些研究成果都各有优缺点，但是都还没有解决最根本的问题。现在主要的技术难点在于精确的实现量子比特的调控、两两之间的纠缠、维持它们的量子状态等，也就是系统的可控性和可靠性。

技术上的瓶颈并没有得到很好地突破，但是科技巨头们依然在量子计算这条路上你追我赶，为什么呢？主要原因在于现有的芯片线程越来越小（纳米级），量子力学现象会成为计算机的Bug，这个Bug具体来说是这样的，计算机里面有很多晶体管，晶体管像一个开关控制电子进程，但是未来的元件做到纳米级后，比如纳米级的晶体管，那这个开关可能会失效，因为根据量子力学，电子可以直接通过纳米级晶体管，到了那个时候，这就会是经典计算机无法解决的大Bug。

另一方面，因为经典计算机已经快要达到它的极限，其芯片越来越小，芯片的元件小到只有原子大小， 而且就算达到极限，经典计算机也解决不了未来可能会出现的许多问题。比如，优化问题，也就是从无数种可能性中找出最优的解决方法，经典计算机只能一个一个的去找，但是量子计算机可以并行运算，毫不夸张的说，经典计算机可能要算一年，量子计算机只用一分钟就能搞定。

还有就是经典计算机化学问题、生物问题上的无力。IBM实验量子计算团队经理——Jerry Chow曾在TED演讲上举过一个生动的例子，一个咖啡因分子，不如水分子简单，但也没有DNA或是蛋白质分子复杂，如果我们要用经典计算机来模拟一个咖啡因分子，世界上现有的任何电脑都不行，就算你做再多晶体管，做一个和地球一样大的计算机，或者一个和太阳系一样大的计算机，甚至是和银河系一样的计算机，都没办法模拟一个咖啡因分子，然而量子计算机却可以做到。

总而言之，在经典计算架构发展瓶颈日益凸显的当下，量子计算机被认为是计算领域最受看好的方向之一。

不过这个未来什么时候才能来，谁都不清楚，也许十年以内不会到来，根据英特尔实验室公司副总裁兼总经理迈克·梅伯里（Mike Mayberry）的说法：“我们预计这个行业将需要五到七年的时间才能解决工程规模问题，并且可能需要100万或更多的量子比特才能达到商业目的。研究人员仍然需要弄清楚如何解决一些问题，包括纠正单个量子比特的脆弱量子态，将软件算法映射到量子硬件，建立局部控制电子学来控制量子系统并得到结果”。

结语：量子计算机将重造整个世界

量子计算之所以如此重要，除了因为它“快”，还因为它可以重新定义程序和算法，颠覆众多领域，例如：

军事方面，一切现有的密码学全都要被重新改写，因为用量子计算机能轻易破译所有密码；医学方面，量子计算机可以模拟人体内的各种化学分子，建立起医学模拟的新模型；此外还有气象学、材料科学等种种领域都面临着量子计算的颠覆。

不过，目前我们离真正的量子计算机还有距离，现在，量子计算机还只是非常初步的阶段，量子比特的脆弱、不稳定性还有低精度的问题还没有解决，要实现实用量子计算机还有很长的路要走。