还没诞生就已突破极限,比超级计算机更强的计算机——量子计算机
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发布时间：2022-10-02 06:41
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时间：2023-10-04 07:08
自世界上第一台电子计算机“ENIAC”于1946年诞生以来，电子计算机的运算性能便一直以指数倍的形式不断增长，在 科技 的推动下，我们的计算机正不断变得越来越小，而目前计算机元器件的尺寸甚至都已经接近单个原子的大小了，但这也意味着计算机的运算速率快要触碰到物理性能的极限了。
众所周知，计算机元器件主要由晶体管构成，晶体管是计算机处理数据的最基本单元，它就像一个开关一样，可以允许或者阻挡电子信号通过，而由这些电信号组成的数据就是我们所熟知的比特，对于一个比特来说，它的数值可以是0或者是1，经过人为定义，一组比特就可以用来表示各种复杂的指令和数据。
晶体管通常都被用来组成各种逻辑门，虽然单个逻辑门只能完成很简单的工作，但是将不同的逻辑门组合到一起，就能完成诸如将两个数值相加这样更有意义的工作，我们可以把逻辑门想象成一群能够完成基本数*算的小学生，当他们的数量达到一定规模时，你就可以让他们完成各种复杂的运算，无论是解方程还是数列，全都不在话下。
而如今一个普通晶体管的大小仅有14纳米左右，和血红细胞相比，还不及它的五百分之一大，由于晶体管已经缩小到仅有数个电子大小，所以电子信号有时候会无视晶体管的阻碍，直接通过一个已经关闭的开关，这种现象就叫做“量子隧道”效应。
量子隧道效应对计算机来说是一个真正意义上的“物理屏障”，因为传统物理学的那套定律并不适用于量子世界中，在量子尺寸上，许多物理现象都变得极为反常，而这就使得传统计算机无法像以前那样借助物理上的改进来继续提升运行效率。
而在不久的将来，或许就只有量子计算机才能帮我们突破这个屏障，继续提升运行效率，和普通计算机一样，量子计算机也用比特来表示各种指令和数据，但量子比特可以同时处于多种状态，它可以同时表现出所有偏振状态，而这种特性就被称为量子叠加态，不过一旦你尝试通过光子探测器去确定它的值，他就会立刻成为水平极化或者垂直极化状态中的一种。
所以只要它不被探测器观察，量子比特就会处于叠加态，既同时等于0和1，谁也无法预测它的值，但在被观察的一瞬间，它就会坍塌为两种状态中的一种，两个传统比特表示的数据在某一特定时间只能是4种组合方式中的一种，但是对两个量子比特来说，它却同时处于4种组合状态，而每增加一位量子比特，它表示的数据都会呈指数倍增长，仅20位量子比特就已经可以同时表示百万种不同的组合了！
量子比特另一个令人难以置信的特性就是它们还具有纠缠态，纠缠使一个量子比特上发生的变化会立即反应在另一个相关联的量子比特上，这意味着只要通过观察知道其中一个的状态，另一个的状态也就不言而喻了。
如果我们能充分利用量子纠缠和叠加的特性，量子计算机的运算效率就将大大超过传统计算机的效率，由于量子比特可以同时表示多种状态，因此它的一次运算就可以处理多种不同指令，而一个40比特的量子计算机，就能在很短时间内解开1024位计算机花上数十年才能解决的问题。
量子计算机在计算机安全领域同样有着非常重要的应用，目前的电子邮件以及银行数据大多采用公钥加密的方式来确保数据安全，这些公钥一般只能由对应的私钥持有者解开，但在获悉公钥之后，私钥其实是可以通过数学方法推算出来的，用传统计算机破译这些私钥可能需要耗费数年的时间，但借助量子计算机，只需短短几分钟便可以破译出这些私钥。
量子计算机还可以被用于模拟量子现象，在医学领域，模拟量子能帮助我们了解各种蛋白质的特性，从而促进医学 科技 的发展，但模拟量子现象的运算通常需要耗费大量地资源，目前大多数传统计算机都无法达到模拟的精度要求，但运行速率更快的量子计算机却能轻松地胜任这一职务。
目前我们还不知道量子计算机究竟能在那些领域大放异彩，也不知道它能否在未来数十年内被完全发明出来，但有一点可以肯定，它的出现势必会引起新一轮的 科技 大变革，或许力度并不会像前两次工业*那样大，但效果绝对会令我们惊叹不已。
*参考资料
[1] ColdFusion: How Quantum Computers Could Change the World, 2019.05.23
[2] ColdFusion: Quantum Computers - FULLY Explained!, 2019.05.27
[3] BBC Click: What is Quantum Computing?, 2017.12.20
[4] Kurzgesagt – In a Nutshell: Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology, 2015.12.08
