什么是量子计算？

今年正在成为量子计算历史书上重要的一年。令人兴奋的消息接连登上头条，随着微软的 Majorana 1 芯片和中国的 Zuchongzhi 3.0 的宣布。

但这些热闹究竟是怎么回事呢？

由于量子计算机的运作方式，它们能够解决经典计算机（就像你正在阅读的这个）无法解决的 极其复杂的问题。

实际上，并不是说它们 不能 解决这些问题——只是它们需要很、很长的时间。想象一下开始一个计算，并指示后代们在遥远的未来某天期待结果。

就像在《银河系漫游指南》里一样。

听起来有点传奇，实际上。

这太疯狂了。此外，它也不切实际。

量子计算机能够在更可管理的时间内解决这些复杂问题。理论上，这可以在医学、生物学、工程和人工智能等领域引发革命，仅举几例。

然而，尽管量子计算可能有许多好处，它也拥有一个可怕的能力：它能够破解我们日常使用的最广泛的加密方法。

这是一把双刃剑。任何拥有量子计算能力的人都可能 潜在 地破坏我们当前的安全模型，从而在多个层面上构成威胁。

那么，我们应该多么担心呢？要回答这个问题，我认为我们必须了解量子计算是什么，它可以解决什么样的问题，以及我们如何可以重新思考现代安全，以试图保护自己免受这种潜在威胁。

开始吧！

量子力学简要概述

我并不是真正的量子力学专家，但我与这一学科有过足够的接触，至少有一个功能性的理解。

在这个谦虚的背景下，我能说的是：

量子物理很奇怪

请把这个放在今天的旅程中考虑。虽然听起来疯狂，但量子力学所提出的观点恰恰是我们作为一个物种迄今找到的 我们物理现实的最佳描述（至少在原子和粒子领域）。

量子物理中最基本的命题是：粒子并不像一个 固体物体 那样行为。我们可能会倾向于将它们想象成微小的台球，但事情并不是这样。

不，不是 总是。这一点的首次记录证据是臭名昭著的 双缝实验，它揭示了令人矛盾的是，粒子有时像小弹珠一样行为，而其他时候又像 波 一样。

更重要的是，它们的行为取决于是否被 观察。

我知道，这听起来令人困惑。就好像粒子 somehow 知道它正在被 观测。当然，我们可以对其做一些解释——但那可能是我们另一次讨论的话题。

粒子作为波

我们不需要纠结于细节，因为有很多内容要覆盖。

在量子力学中，粒子被建模为 波。这种表示法工作类似于一个 概率分布，在此意义上，它描述了在某一 状态 下找到一个粒子的 概率。

这些“状态”的正确术语是 可观测量，但为了简单起见，我们将使用 状态。

例如，我们感兴趣的 状态 可能是粒子的位置：在我们试图测量它之前，这种状态就像是一个概率汤。自然，当我们进行测量时，粒子必须 位于某处，因此就不再生活在概率世界中，而是在某个位置上出现。真疯狂。

这被称为 波函数的坍缩，但同样，我们不必过于关注细节。

现在，波具有非常有趣的属性。首先，我们可以 叠加波。结果可以是 建设性 或 破坏性——将两波叠加在一起可以完全抵消它们，或使整体结果波更大，或是两者的混合。

有趣的是，我们可以将 任何数量 的波叠加在一起，甚至 无限多个，形成各种模式。这就引出了下一个酷概念。

叠加态

好吧，一个波代表一个粒子的可能状态。如果我们将两个波叠加在一起会发生什么？这个粒子将在同一时刻处于两种状态的 组合 中——一个 叠加态 ，只有在我们观察它时，才会解决为某个值。

虽然这听起来很疯狂，但我们可以借用一个更加熟悉的例子来获得一些直觉：声音。

你几乎从来听不到“纯波”。参考一下，这就是纯波的声音。相反，几乎你每天听到的每一个声音都是多种独立波的组合，结果形成了这样的杂音：

然而，我们往往能够从这些组合中区分并提取信息。一段对话就是一个非常复杂的声音波，但它 有某种意义 ，我们能够感知并解码。

但例如，如果你在一家酒吧里，音乐非常大，你的朋友试图告诉你他们有多醉，你可能无法理解他们。

在量子力学中，结合不同状态的方式非常相似。一个粒子可能处于多种状态的组合中，但其中的一些 真的很响 （最可能）并且压倒了其他的，这些相对不太可能。

到目前为止还好吗？我知道，量子力学确实很奇怪。我们没有涵盖太多内容——只是足以理解量子计算是什么。我只是希望你们的反应不是这样：

慢慢来。在继续之前，试着将这些想法深思熟虑。

准备好了吗？

量子计算基础

好吧，我们简要回顾了量子力学这个奇异的世界。

此时，我想你在想我们如何从这些波动的东西转变为 能够破坏互联网的计算机。现在是连接点的时候了！

常规计算机通过 比特 处理信息。你知道的，就是熟悉的 0 和 1。每个比特在任何给定时间只能存储这两个值。

起初，这可能看起来不是一个问题。 坦白说，它的确不一定是问题。现代计算机仅使用比特——只需大量状态快速切换，便可完成许多惊人的成就。

然而，对于某些应用来说，这简直不够。有些问题用 非常非常长 的时间解决，甚至世界上所有计算机的综合实力也无法在合理的时间内解决它们。

松散地说，如果你 翻倍 你的计算能力，你将大约能将解决问题所需的时间 减半。这是一个 线性 关系。

这一点并不 普遍 成立。平行化问题并不是那么简单。为了教育起见，让我们坚持这种观点，但要知道这并不简单！

再次说，有些情况下，你可以一直翻倍，直到没有存货可用的计算机，还是要等 几百万年。

哦，看！它终于完成了！

量子比特（Qubit）

如果比特能够在任何给定时间持有 不止一个值 ，情况就会有所不同。我们无法在不根本性改变计算机工作的情况下实现这一点——这就是 量子比特（qubit） 登场的地方。

一个 量子比特 类似于比特，在于它的“预期”值为 0 和 1。不同之处在于，它能够 同时 存储这两个值。

只是忽略那些奇怪的符号。

你可能会问，为什么？ 叠加态！

量子比特的状态是 0 和 1 的 “状态” 的 组合。

想想声音波——有时你可以清晰地听到 0，其他时候 1，还有时不是那么容易区分。

现在，单个量子比特并没有那么令人激动——它几乎是同时持有两个值，而不是一个。有什么大不了的呢？然而，当你开始增加量子比特时，事情就变得有趣了。 两个量子比特 可以同时持有四个可能值：00, 01, 10, 11。使用三个量子比特，你能得到 8 个同时值。

你抓住了趋势，对吧？你可以持有的信息量随着使用的量子比特的数量而 指数性增长。

仅仅 300 个量子比特，你就可以表示的状态数超过可观察宇宙中原子数。我的脑袋要炸了。

当然，若是 300 个比特，你只可以在 2³⁰⁰ 个可能值中表示单一状态。这就无聊了！

听起来很有前途！那么我们如何构建一个量子比特？

构建量子比特

表示比特是非常简单的：它只是在电路中流动的电流。

量子比特则是另一种生物，因为我们需要处理 量子系统。因此，在描述这些系统时，事情会变得非常复杂。

自然，详细信息相当复杂。我想简要提一下当前构建量子比特的一些技术，但现在，我认为最好避开任何更深入的量子力学领域。

以下是构建量子比特的一些方法：

• 超导量子比特：微小电路被冷却到接近绝对零度，电子可以无阻力流动。量子比特本质上可以被看作是小的呼啦圈，其旋转方向表明 0 或 1。当然，它们也可以在两个方向上同时旋转。
• 被禁锢离子量子比特：实际的原子被电磁场固定，其电子配置表示不同的状态。因此，字面上说，这些是漂浮在真空中的原子，被电场固定——而“量子比特”就是原子的电子能级。
• 光子量子比特：利用光子（即光粒子）存储量子信息。“量子比特”部分仅是光子的属性，如其偏振—简单地来说，光子是上下摇摆，还是左右摇摆，或者两者的组合，因为这些都是量子系统！

而且，微软声称在 Majorana 1 中使用的拓扑量子比特。但我仍然不太明白它是如何工作的。

这与一些小电缆相关，它们持有量子信息，新的物质状态，以及先前未观察到的理论粒子（Majorana 费米子）… 这对我来说实在太复杂了。

但是！有一个问题：这些系统是 相当不稳定 的。

稍微的干扰就能导致精心构建的量子比特状态崩溃，这被称为 退相干。

因此，量子比特必须保持 极其隔离。就像，和现实本身隔离。这就是为什么它们被安装在冷却到比外太空低几百倍的温度的巨大冷却器中的原因。即使如此，量子比特只能维持其状态几微秒，然后就会出现退相干。

所以，是的，量子计算机很酷，具有巨大潜力，但它们仍然极难管理。

你可能不会很久就能买到量子笔记本电脑！

连接量子比特

好吧，我们有这些单独的量子比特在它们超冷隔离的环境中漂浮。但是，仅靠比特是无法构建计算机的。

我们使用和喜爱的计算机工作原理是可以通过所谓的 逻辑门 组合比特。例如，与 门接收两个比特作为输入，如果两个输入都是 1，输出则为 1，否则输出为 0。正是通过这些小部件，计算机得以构建。

有趣的事实：你可以仅使用 NAND 门 构建计算机。

逻辑门是 微小的电路。它们极小，并且有一些很酷的物理方向，但从概念上来说很简单：如果电流流动，你就获得 1，如果不流动，则获得 0。

那么，对于量子计算机来说，情况如何呢？我们需要构建某种门以执行操作——我们需要 量子门。但我们该怎么做？没有电缆连接量子比特，我们究竟如何构建门以将它们组合在一起？

幸运的是，量子力学仍然有一些额外的奇异性供我们利用，以使事情正常运作。

量子比特通过一种叫做 纠缠 的现象互相连接。

哇

工作原理是这样的：两个纠缠的粒子具有一种近乎魔法的特性，测量其中一个的状态会 瞬间 影响 另一个，不论它们在宇宙中相隔多远。想象一下你有两枚纠缠的Coin，将它们放在不同的 星系 中，当你投掷其中一枚，并且它出现正面时，你可以绝对确定另一枚的结果将是反面——每次，毫无例外，瞬间。

这太奇怪了，连伟大的阿尔伯特·爱因斯坦都称之为“距离上的诡异行为”，因为这似乎违反了光速的普遍限制。

尽管如此，这种现象是使量子计算机能够运行的最后一个 秘密成分。但有一个问题：量子门并不像你经典的 与 或 或 门那样工作。实际上，它们在根本上是不同的。

量子门更像是 小变换，可以同时改变一个或多个量子比特的状态。例如，有 哈达玛门，它接收一个状态为 0 或 1 的量子比特，并使其进入 “完美叠加态”。

接下来，还有像 CNOT （控制与非）门，它根据另一个 控制量子比特 的状态 翻转 目标量子比特——纠缠的实际操作！

纠缠使我们能够创建一种新颖且有用的量子逻辑门。它们的工作方式与我们习惯的方式不同，因此在这些计算机上运行的算法也在根本上与我们在经典计算机上构建的算法不同。

因为量子比特使我们能够同时表示多个状态，技巧在于设置正确的量子门序列，以便错误的答案 抵消 失效，而正确的答案则 建设性干扰 互相增强（再一次，想想声音的比喻）。弄清楚这些序列本身就是一门艺术——这就是像 肖尔算法 这样的例程如此聪明和陌生的原因。

简而言之：

关键在于驾驭量子力学的奇异性

总结

那么，在这次旅程中我们学到了什么？

首先也是最重要的是，量子物理是 奇异的——波用于状态表示，系统同时存在于多种状态中，纠缠… 然而，所有这些奇异之处正是使量子计算如此强大的原因。

当前的研究都是为了延长相干时间，并在不可避免地发生错误时进行纠正。随着 Majorana 1 和 Zuchongzhi 3.0 的近期发布，我们可能在一步步接近更稳定的量子计算，其潜力也是真正可以被充分利用的。

有一个尤其使安全专家们夜不能寐的应用是：密码学。大多数密码学基于之前提到的 极其复杂的问题——其中一些可能在合理的时间内被足够强大的量子计算机破解。

并不是所有问题都如此。最敏感的包括 RSA 和基于 椭圆曲线（ECC） 的算法。但是像 AES 的破解工作并不是首要目标。

这意味着我们所知道的安全性将会被破坏。

但我们现在还不必惊慌。量子计算机仍然非常有限——我们还远未到“破坏互联网”的阶段。

更重要的是，密码学家并没有袖手旁观。正在开发韧性方法以抵挡量子计算的力量。这个研究领域被称为 后量子密码学 （Post-Quantum Cryptography，简称 PQC）。

量子革命不会一夜之间发生。我们还有时间来适应我们的安全模型。但这不再是一个学术兴趣。

而你是对革命性技术感到兴奋还是更担心你的比特币钱包，可能取决于两者的对比。

无论如何，量子时代即将来临。更好地准备迎接它吧！

• 原文链接： medium.com/@francomangon...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～