自20世紀(jì)40年代人類開始使用計(jì)算機(jī)以來，我們的科技水平一直在以指數(shù)級增長，得益于工藝水平的提升，計(jì)算機(jī)也由龐然大物逐漸縮小，走進(jìn)千家萬戶，變得更小更強(qiáng)。

但計(jì)算機(jī)部件正接近原子大小，使得計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展即將達(dá)到物理極限，這也是人類科技進(jìn)步被鎖死的原因之一，而量子計(jì)算機(jī)或許可以打破這一技術(shù)壁壘，助推人類科技邁上新的臺階。在了解量子計(jì)算機(jī)之前，我們先來看一看普通計(jì)算機(jī)的工作原理。

普通計(jì)算機(jī)

芯片

計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的核心部件是芯片。芯片由模塊構(gòu)成，模塊包含邏輯門，晶體管則組成了邏輯門，晶體管是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)處理器的最基本單元。晶體管是一種電子開關(guān)，它可以打開或阻塞電子信息經(jīng)過的通道。運(yùn)行在最底層晶體管內(nèi)的信息是二進(jìn)制數(shù)，也就是0和1，一個二進(jìn)制數(shù)代表一個比特，通過比特的組合，可以表示更復(fù)雜的信息。

10納米級晶體管

晶體管被組合成邏輯門，它可以做非常簡單的邏輯判斷。例如，如果兩個晶體管輸入邏輯門的電子信息都是1，以二進(jìn)制來說，1加1就該進(jìn)位，那么邏輯門的計(jì)算結(jié)果就為0，發(fā)送的輸出信號為1。通過邏輯門的組合，可以組裝成有意義的模塊，比如，計(jì)算機(jī)的加法模塊。一旦計(jì)算機(jī)能做加法，那么也能做乘法，這就意味著計(jì)算機(jī)能夠做任何形式的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

所有的基本運(yùn)算都比一年級的數(shù)學(xué)還要簡單，完全可以把計(jì)算機(jī)想象成一個在做加減乘除作業(yè)的七歲小孩。擁有足夠計(jì)算能力的機(jī)器每秒可以運(yùn)行數(shù)以億計(jì)，我國的超級計(jì)算機(jī)天河二號，每秒能運(yùn)行1206萬億次，當(dāng)屬世界上運(yùn)行最快的計(jì)算機(jī)。然而，隨著計(jì)算機(jī)部件變得越來越小，當(dāng)達(dá)到量子層級時，量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理讓傳統(tǒng)計(jì)算失去了意義。

量子隧穿

簡單來說，晶體管就是一個電子開關(guān)。電子從晶體管的一端移動到另一端，晶體管相當(dāng)于一個電子通道，可以放行電子，也可以阻止電子移動。現(xiàn)在晶體管的典型尺寸是7納米，大約是HIV病毒直徑的1/14，比紅細(xì)胞小1000倍，而原子的直徑通常只有0.1納米，相當(dāng)于晶體管一次能通行70個原子。當(dāng)晶體管縮小到原子尺寸級別時，由于量子力學(xué)的不確定性，電子可能會直接通過邏輯門，無視邏輯門的阻塞，這就是所謂的量子隧穿效應(yīng)。

不確定性原理

在量子力學(xué)領(lǐng)域，量子狀態(tài)變得不可測量，這與我們習(xí)慣的可預(yù)測計(jì)算方式格格不入，就像我們無法知道1+1究竟等于幾一樣，這讓人十分抓狂。為了解決這個問題，何不打破思維定勢，用量子特性來解決量子問題呢，于是量子計(jì)算機(jī)的概念就應(yīng)運(yùn)而生了。在普通計(jì)算機(jī)中，比特是最小的信息單元，而在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特成為了表示信息的基本形式。

為何如此之快

由于量子的不確定性，量子比特即可以是1也可以是0，它可以同時表示兩個數(shù)字。就像量子場中光子的偏振方向一樣，處于量子狀態(tài)中的光子，在未被觀測之前，它可能水平偏振也可能垂直偏振，這種奇趣的現(xiàn)象也可稱之為量子疊加。一旦你測試光子的偏振方向，比如說，讓光子通過過濾器，那么光子的量子狀態(tài)就塌陷了，光子必須具備一個確定的偏振方向，要么向上要么向下。

所以只要量子沒有被觀測到，量子比特就處于0和1的量子疊加態(tài)中，無法預(yù)知量子究竟是1還是0。但是當(dāng)確定測量量子時，它就會從不確定性轉(zhuǎn)為定態(tài)。如果將4個量子比特互相組合的話，一共有2^4種不同的排列方式，可以表示16種不同的信息。既然4個量子比特疊加可以同時表示16種信息，當(dāng)越來越多的量子比特集合在一起后，可表示的信息將呈指數(shù)增長，用20個量子比特就能夠存儲2^20個數(shù)值，一共超過100萬個信息。

量子糾纏

量子糾纏

量子比特還具有量子糾纏屬性，這是量子系統(tǒng)的整體特征，我們無法單獨(dú)描述單個量子的具體狀態(tài)，當(dāng)對其中一個量子進(jìn)行作用時(包括測量)，另一個量子會立即作出反應(yīng)，無論它們相距多遠(yuǎn)。這意味著當(dāng)測量一個處于糾纏態(tài)的量子時，你可以根據(jù)測量結(jié)果直接推斷出另一個量子的屬性。

普通計(jì)算機(jī)的邏輯門得到一組簡單的輸入，然后產(chǎn)生一個確定的輸出。而量子計(jì)算機(jī)則通過量子門操縱一組量子比特疊加輸入，產(chǎn)生另一個疊加態(tài)作為輸出。量子門糾纏量子比特來使它們形成一個量子疊加體，這個疊加體內(nèi)包含了運(yùn)算的所有可能結(jié)果。

這意味著，4位量子比特的疊加體只要計(jì)算一次，相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)運(yùn)行16次，而20位量子比特量子比特運(yùn)算一次，則相當(dāng)于普通機(jī)器運(yùn)算100萬次，量子計(jì)算機(jī)將使計(jì)算效率提升百萬倍、千萬倍甚至億萬倍，只要實(shí)現(xiàn)越多的量子比特疊加體，計(jì)算能力就會呈指數(shù)增長。

未來之力

雖然量子計(jì)算機(jī)暫時不會大規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)用，但它確實(shí)是我們下一代計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。它強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以帶來許多實(shí)實(shí)在在的好處，其中之一是數(shù)據(jù)檢索。當(dāng)我們需要在數(shù)據(jù)庫中查找想要的東西時，一臺普通的計(jì)算機(jī)需要遍歷數(shù)據(jù)庫中龐大的內(nèi)容，運(yùn)算好幾百萬次。而量子計(jì)算機(jī)只需運(yùn)行一次，便可完成巨量運(yùn)算，大大縮短了我們等待的時間。

量子計(jì)算的另一個好處是模擬。模擬量子世界需要大量的計(jì)算，即使是像分子這樣稍微大一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，也需要龐大的精確計(jì)算。如果用量子比特來模擬量子世界，情況就簡單了許多，稍加計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)便能模擬出分子的精確結(jié)構(gòu)。

可以這樣說，量子計(jì)算機(jī)將是人類打破技術(shù)壁壘的關(guān)鍵所在，未來將會引領(lǐng)一場科技大革命，實(shí)現(xiàn)人類科技的巨大進(jìn)步。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的量子计算机打破智子封锁,人类科技会被“智子”锁死？来看量子计算机如何打破技术壁垒...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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