看完這篇 終於可以和別人聊量子電腦了！
量子電腦今天刷屏了——中國研究團隊構建的量子電腦「九章」，實現了對玻色取樣問題的快速求解，其計算速度比目前最快的超級電腦快一百萬億倍！
「九章號」的部分光路結構
不過，大部分朋友看完都只能留下一句話：「每個字我都認識但……」別擔心，AI準備了一份小白友好的說明書。什麼是量子電腦？量子電腦為什麼厲害？量子霸權又是什麼？你都能在這裡找到看得懂的答案。
量子電腦是電腦嗎？
是，但和我們現在所理解的「電腦」差別很大—— 兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，而量子電腦則是以量子的狀態作為計算形式。
我們日常用的電腦，不管是螢幕上的影像還是輸入的漢字， 這些資訊在硬體電路里都會轉換成1和0（在電路中則表達為「開」和「關」），再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的「計算」過程，電腦才被稱為「電腦」。
世界上第一台電子數字計算設備：阿塔納索夫-貝瑞電腦|WikimediaCommons
量子電腦則以量子的狀態作為計算形式。目前的量子電腦使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子電腦使用的是不同的粒子，這次的「九章」使用的是光子。
為什麼量子電腦可以「超快」？
傳統的數字電路只有0或1兩種選擇， 量子電腦使用的粒子則能夠同時處於多種狀態。
以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態，這種偏振態可以表示除了0與1之外的多組資訊，量子電腦因而能夠同時承載更多內容。
普通的電腦單元一次只能處理一個數據，稱之為1個比特；量子電腦則可以一次處理1個「量子比特」，這不僅是0和1的狀態，而是一種疊加態，可以簡單認為這是 包含了多個數據，從而使處理速度大大提升。
自然光在各個方向上振動（如2），通過「偏振片」（如3）的過濾後，僅留下特定方向振動的「偏振光」（如4）|WikimediaCommons
超級電腦也以處理速度快而著稱，但它與量子電腦不一樣。超級電腦本質上還是以傳統電腦二進位（0與1）為基礎的，運算速度依然受限於電路的性能，而量子電腦完全屬於另一個體系。
量子電腦擅長解決什麼問題？
正如上面所說的，量子電腦最大的特點就是計算速度快，太快了。
舉個例子，小學的時候都學過 質因數分解，例如6可以分解為2和3兩個質數；但如果數字很大，質因數分解就是一個很難的數學問題。
1994年，為了分解一個129位的大數，科學家同時動用了1600台高端電腦，花了8個月的時間才分解成功； 但量子電腦理論上只需1秒鐘就可以破解。
大數質因數分解是許多安全系統的基礎，基於此的加密演算法——例如RSA演算法，則可能會 因為量子電腦的研製成功而被攻破。
量子電腦需要安裝系統嗎？
量子電腦本身就是一套「系統」，獨立的光學組件提供了硬體， 複雜的光路結構則決定了它的「演算法」。
例如，以光子作為量子比特的量子電腦，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態、完成「演算法」的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態進行觀測。
光量子電腦原型圖|墨子沙龍
不過，對於量子電腦的控制，仍然 需要通過普通電腦進行資訊的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在普通電腦上輸入初始數據，數據在量子電腦控制系統中進行複雜的轉換和運算，最後得到的結果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。
量子電腦的實際操作過程|參考文獻[3]
什麼是量子霸權？
只要在某些特定的問題上，量子電腦的能力超越了任何經典電腦，這就叫做「量子霸權」。
雖然聽起來很有震懾力，但「量子霸權」其實只是量子電腦發展的一個階段，還沒有達到最理想的狀態。
目前，世界上的量子電腦研究大多是 針對用某個特定的問題。例如中國這次研發出來的「九章」，就是專門用以解決玻色取樣問題，這是常用來測試量子電腦優越性的熱門問題。
量子電腦的理想狀態則是通用量子電腦。這樣的量子電腦將被用來解決任何可解的問題，在很多領域會得到廣泛應用。
然而，目前量子比特數還遠遠不夠，糾錯容錯技術也不夠完善，大大限制了計算能力。
通用量子電腦是未來的研究方向|墨子沙龍
量子電腦最主要的優勢，是可以對數據進行同時處理。目前，更多的應用仍然是對於特定難題的計算，而想在普通的使用中發揮它的優勢，或許還有待漫長的探索。
參考文獻
[1]陳明城.實驗光學量子計算[D].中國科學技術大學,2017.
[2]方糧,劉汝霖,湯振森,隋兵才,池雅慶.量子電腦:量子演算法與物理實現[J].電腦工程與科學,2012,34(08):32-43.
[4]公眾號：墨子沙龍,經典和量子的算力之爭：中國科學家實現「量子計算優越性」里程碑
[5]魏世傑,王濤,阮東,龍桂魯.量子演算法的一些進展[J].中國科學:資訊科學,2017,47(10):1277-1299.
