大家好，我是Harry.。
今天我們聊聊一個有趣的話題，量子計算。字?jǐn)?shù)真的不多，希望你們可以在5分鐘內(nèi)讀完！
什么是量子計算
在本科的時候我的專業(yè)是電子科學(xué)與技術(shù)，有幸學(xué)過初級的量子力學(xué)（教材應(yīng)該就是這本），異常痛苦，你們熟悉的薛定諤、貓（薛定諤的貓）、態(tài)函數(shù)等等里面都有，我還依稀記得期末考試總共就4道題，第一大題的第一小題好像是證明n維無限深勢井下薛定諤方程。雖然12年過去了，但印象特別深，因為......完全看不懂，但是人家考試過了。還記得當(dāng)時的課堂老師是一個剛來不久的女老師，她說如果物理學(xué)是一場舞會，那么量子力學(xué)就是這舞會上最耀眼、最閃亮、最奢華的禮服，雖然我并非從事相關(guān)的科研工作，但這句話多年以來我一直記得。同樣記得的還有當(dāng)時系上有一個喜歡這位女老師的男同學(xué)，他個子不高，每次都會坐在第一排，手里拿一把扇子。有時他心情好的時候就會“唰”的一下將扇子甩開，現(xiàn)出扇面上的那四個字：“簫短情長”。
言歸正傳，自然界遵循量子力學(xué)定律（例如咖啡因這種分子），這是物理學(xué)的一個分支，它探索物理世界如何在最基本的層面上工作。在這個級別上，粒子以奇怪的方式運行，同時承擔(dān)多個狀態(tài)，并與其他非常遠(yuǎn)的粒子相互作用。量子計算利用這些量子現(xiàn)象以新穎且有前途的方式處理信息。如果將我們今天使用的電腦稱為經(jīng)典計算機（始于1950年代），幾十年來他們一直是這個世界的動力。但是傳統(tǒng)計算機無法解決一些需要巨量算力的問題，例如一杯咖啡中的咖啡因分子，它們不能夠模擬咖啡因并充分了解其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而這恰恰是量子計算有可能解決的挑戰(zhàn)。
量子理論是在二十世紀(jì)初發(fā)展起來的，它通過成功解釋原子和電子等微小粒子的奇怪行為，徹底改變了物理學(xué)和化學(xué)。在二十世紀(jì)后期發(fā)現(xiàn)它不僅適用于這些粒子，而且適用于信息本身。這導(dǎo)致了信息處理科學(xué)和技術(shù)的革命，為新型計算和通信打開了大門。量子信息的基本單位稱為量子位（Qubit），用于存儲和處理量子位的機器稱為量子計算機。
經(jīng)典計算機以比特（Bit）編碼信息。每個位可以取1或0的值。這些1和0作為開關(guān)，最終驅(qū)動計算機里的各自功能。而量子計算機是基于量子比特（量子位）的，量子位根據(jù)量子物理的兩個關(guān)鍵原理進行操作：疊加和糾纏。
簡單來說，疊加意味著每個量子位可以同時代表1和0。糾纏意味著疊加中的量子比特可以相互關(guān)聯(lián)；也就是說，一個人的狀態(tài)（無論是1還是0）可以取決于另一個的狀態(tài)。利用這兩個原理，量子位可以作為更復(fù)雜的開關(guān)，使量子計算機可以解決當(dāng)今計算機難以解決的難題。
疊加。每個量子位可以處于0的狀態(tài)、或者1的狀態(tài)、或者疊加態(tài)。疊加態(tài)是0態(tài)和1態(tài)的任意線性疊加，它既可以是0態(tài)又可以是1態(tài)，0態(tài)和1態(tài)各以一定的概率同時存在。處于0的狀態(tài)有時被稱為基態(tài)，因為在包括我們在內(nèi)的量子計算的許多物理實現(xiàn)中，它是能量最低的狀態(tài)。
糾纏。每個量子位通過測量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出0態(tài)或1態(tài)。糾纏這種特性并不存在于目前的經(jīng)典系統(tǒng)中，并不像“疊加”那樣好理解。量子糾纏是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，雖然他們在空間上可能是分開，甚至相距遙遠(yuǎn)。當(dāng)其中一個粒子被測量或操作而狀態(tài)發(fā)生變化，另一個也會即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。雖然愛因斯坦將量子糾纏稱為“spooky action at a distance”，但這里面其實沒有“主觀的行動”，只是體現(xiàn)了兩個量子比特隨機行為之間的相關(guān)性。而這種相關(guān)性只能再比較了兩次的觀察值之后才能被識別到。在糾纏狀態(tài)下，雖然系統(tǒng)局部可能不能被確定地描述，但整個系統(tǒng)是可以被確定地描述的。量子計算機以糾纏態(tài)存在的能力是其額外計算能力的重要組成部分，也是量子計算區(qū)別于其他經(jīng)典計算的地方。
量子比特可以同時存儲0和1，考慮一個N個物理比特的經(jīng)典存儲器，則它只能存儲2^N個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的一個，而如果是量子存儲器，則它可以同時存儲2^N個數(shù)，而且隨著N的增加，去存儲信息的能力指數(shù)上升，例如一個250量子比特的存儲器（由250個原子構(gòu)成）可能存儲的數(shù)達(dá)2^250個，比現(xiàn)有已知的宇宙中的全面原子數(shù)目還要多。
想象一下包括2位經(jīng)典比特的存儲器，它可以代表00，01，10，11這4個二進制數(shù)中的任意一個，而2位的量子位存儲器則可以同時存儲這4種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。
數(shù)據(jù)的存儲是一方面，數(shù)據(jù)的計算是另一方面。由于數(shù)學(xué)操作可以同時對存儲器中的全部數(shù)據(jù)進行操作，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以同時對2^N個輸入數(shù)進行數(shù)學(xué)運算。其效果相當(dāng)于經(jīng)典計算機重復(fù)實施2^N次操作，或者采用2^N個不同的處理器實行并行操作。量子計算機可以節(jié)省大量的運算資源，理論上極大地提高運算效率。
首先，原子改變能量狀態(tài)極快——比現(xiàn)在最快的經(jīng)典計算機(CPU)都要快得多。其次，考慮到問題的類型，每個量子位能代替一個完備的處理器——這意味著1000個鋇離子能代替一個有1000個處理器的計算機?，F(xiàn)在的關(guān)鍵問題是要找到量子計算機能夠解決的合適問題。如果試圖把量子計算機做成適合日常使用的放在我們桌面上的計算機是不太現(xiàn)實的，因為它們不是很適合做類似文字處理和收發(fā)E-mail的工作（HH：很顯然這與量子糾纏沒什么關(guān)系）。大規(guī)模的加密術(shù)或許是量子計算的很好思路。另外，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的建模和檢索也是量子計算機能勝任的工作。
IBM Quantum Experience
這里真的不是打廣告，IBM是將量子計算商用并開放給公眾使用的先驅(qū)者之一。去年IBM在Yorktown的實驗室構(gòu)建了5個量子位的量子計算機，并通過互聯(lián)網(wǎng)將這個量子計算機的圖形化程序編寫能力開放給公眾使用（后來好像還開放了16位和20位的），我們可以在線上直接申請，開始體驗量子計算的編程。不能光說不練，我也上去體驗了一把，網(wǎng)址如下：
?。╤ttps://quantumexperience.ng.bluemix.net/qx/editor）
在里面我們可以看到有不同數(shù)量量子位的計算機信息，有20位的、16位的，以及我使用的5位的：
而用戶可以通過Quantum Composer這個圖形化的界面來編寫一個量子處理器：
通過將控件拖拽的方式完成一小段算法的構(gòu)建。無奈我個人覺得尚且難以理解，當(dāng)下也沒有時間去深究，所以把標(biāo)準(zhǔn)答案先貼出來看看......慚愧慚愧
Deutsch-Jozsa算法
Shor算法
那么問題來了。
非對稱加密技術(shù)的數(shù)學(xué)難題是大數(shù)的因子分解，不能破解的理論依據(jù)是計算機不能在合理的時間內(nèi)計算出密鑰的值，使得破解成本高于被破解的信息所帶來的價值。按照現(xiàn)在的算法，破解1024位密鑰的非對稱加密可能需要超級計算機運算數(shù)十年至數(shù)千年。而量子計算從理論上說，破解1024位密鑰的非對稱加密只需要幾秒鐘，這導(dǎo)致非對稱加密算法不能破解的理論依據(jù)不再成立。
那么現(xiàn)在的區(qū)塊鏈呢，作為目前“最強的盾”，在可以預(yù)見的未來，能否經(jīng)得住量子計算這個新的“最強的矛”呢？是否也需要量子密碼術(shù)或抗量子密碼技術(shù)來構(gòu)成量子區(qū)塊鏈呢？那萬一對面的破解工具是基于量子機器學(xué)習(xí)的呢？
呵呵。
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