你看過《三體》嗎？在劉慈欣筆下，三體人用一種叫“智子”的黑科技干擾了人類的實驗，從而鎖死了人類的技術(shù)。而在現(xiàn)實世界，一把無形的“鎖”其實也悄然逼近了我們，它就是芯片。
隨著光刻機與芯片的發(fā)展，計算機的算力也再不斷獲得著提升，可芯片終究不是不是莊子口中“日取其半，萬世不竭”的木捶，等芯片尺寸抵達極限后，我們的算力是不是被鎖死了？沒有更高的算力，我們的技術(shù)是不是也被鎖死了？
在《三體》中，打破智子封鎖的是面壁者的計謀，那在現(xiàn)實中，我們要如何打破這無形的“智子”呢？或許，量子計算機就是答案。
那量子計算機究竟是什么東西？它又是如何幫人類突破算力限制的？它的工作原理又是什么樣的？且聽我給你慢慢道來！
量子計算機的意義
在探究量子計算機的意義之前，我們不妨先來了解一下傳統(tǒng)計算機。傳統(tǒng)的計算機，是由無數(shù)的晶體管構(gòu)成。這些晶體管在接收到信號后，會進行“關(guān)”和“開”這兩個操作，以此來表達0和1，一組0和1，被稱為“1比特”，是計算機中的最小單位。有了“比特”，我們就能用二進制來表達所有信息，比如3是“011”，4是“100”，大寫字母“A”是這個——“01000010”。
無數(shù)這樣的晶體管組合在一起，就構(gòu)成了電路，而大量的電路聚集在一起，就形成了芯片.我們常說的10nm、5nm的芯片，就是指芯片上晶體管的數(shù)量，晶體管越多，芯片的運算速度就越快，算力也就越強。
我們?yōu)楹涡枰懔δ兀恳驗閭鹘y(tǒng)計算機有個根本性的問題——不管晶體管的尺寸有多小，精度有多高，在同一個時刻，一個晶體管只能表達出一個狀態(tài)。簡單來說，當它表達“開”，也就是“1”的時候，它不能表達“關(guān)”，也就是“0”。就像一臺電燈，它只會出現(xiàn)“點亮”和“熄滅”這兩個狀態(tài)，不會有第三種情況。
受制于這種情況，傳統(tǒng)計算機每次計算，都只能得到一個結(jié)果，你讓它算1+1的時候，它是沒法同時算出1+2、1+3的，因此，當面對特別復雜，特別龐大的計算量時，傳統(tǒng)計算機只能加快自己的運算速度，或是用多個計算設(shè)備同時進行運算。這也就是當今芯片瘋狂卷精度的原因，歸根結(jié)底，是因為傳統(tǒng)計算機除了堆砌算力，沒有其他的辦法。
但如今傳統(tǒng)計算機的算力能滿足人類的需求了嗎？并不能，我們舉個最簡單的例子，在進行質(zhì)因式分解時，傳統(tǒng)計算機可以輕易的把21分成“3*7”，把81分成“9*9”，可如果你讓傳統(tǒng)計算機去分解一個300位的大數(shù)，它可能需要15萬年才能完成工作。而在科學研究中，我們有時需要進行比分解300位大數(shù)復雜的運算，這時，傳統(tǒng)計算機的算力就顯得有些捉襟見肘。解決問題的希望，就落在了量子計算機身上。量子計算機能用自己獨特的原理，擺平傳統(tǒng)計算機搞不定的“大麻煩”。
量子計算機
量子計算機的工作原理
不同于傳統(tǒng)計算機，量子計算機內(nèi)部沒有晶體管，而是用特殊方法“禁錮”住了一個個微觀粒子，用這些時刻變化，不停活動的微觀粒子當作零件。構(gòu)成量子計算機的最基本單元也不是只能表達“0”和“1”的比特，而是表達能力更強的量子比特，Qubit。得益于微觀粒子的物理特性，Qubit的表達范圍雖然依舊在“0”和“1”之間，但它除了能表達這兩個數(shù)外，還能表達諸如“0.5”這類位于“0”和“1”中間任意的數(shù)。
打個比方，這就像我們在趕路時匯報自己的位置，傳統(tǒng)計算機的比特只能告訴你，“我是否出門了”和“我是否到了”，而量子比特卻能像你匯報“我具體到哪了”、“還有多久才能到”。怎么樣，是不是覺得量子比特能表達的信息豐富多了？
你以為量子計算機就這點能耐了？不不不，這還是在只有兩個量子比特的情況下。倘若有三個，量子計算機能同時表達的結(jié)果就是2的3次方，8個，比傳統(tǒng)計算機快了8倍。4個量子比特呢？就能同時表達2的4次方，也就是16個不同的信息。倘若把量子比特的數(shù)量擴充的足夠大，一次運算就能獲得巨量的數(shù)據(jù)，當有300個量子比特同時工作時，它們能同時得到的信息數(shù)量就是2的300次方，這個數(shù)是很夸張的，比宇宙中所有的原子總和的數(shù)還要多。這不比死磕芯片精度香多了？
量子計算機的局限性
當然，量子計算機不是萬能的，由于它表達的結(jié)果過于豐富，因此每次運算時，會產(chǎn)生大量我們不需要的結(jié)果。這時我們就要用特殊的量子電路，去篩選我們需要的結(jié)果。
量子電路會根據(jù)計算機中Qubit的特性，比如微觀粒子的自旋方向、偏振角度、能級、位置、原子核數(shù)量等參數(shù)，對Qubit進行有針對性的篩選。從茫茫多的計算結(jié)果中選出我們需要的那個。因此，量子計算機并不能像傳統(tǒng)計算機那樣具有極強的泛用性和通用性，而是專用計算機。
舉個例子，如果我們要研究可控核聚變，需要計算可控核聚變的某個重要參數(shù)，這個參數(shù)的運算量又非常的大，需要傳統(tǒng)計算機耗時上萬年。我們就可以制造一臺針對這個參數(shù)的量子計算機，沒準投入使用的當天，它就能把正確答案呈現(xiàn)在我們面前。但這也是它唯一的作用了。倘若我們再拿這臺計算機去計算常溫超導的參數(shù)，它就會算的一塌糊涂，根本無法勝任工作。換言之，每臺量子計算機在某種意義上都是“一次性產(chǎn)品”，它們只能去處理某個特定的任務(wù)，任務(wù)完成了，它們就成了廢品。不像傳統(tǒng)計算機那樣，有著極強的泛用性。
同時，量子計算機的保存條件也極為苛刻，量子計算機內(nèi)部的量子芯片對制作工藝的要求不高，可它對運行環(huán)境卻非常挑剔，溫度、震動、噪聲、電磁波甚至光線都會影響量子芯片的狀態(tài)，得同時控制好這些變量，才能讓量子計算機正常運行，其維護成本比傳統(tǒng)計算機高太多了。因此，在可以預(yù)見的未來里，我們用量子計算機打游戲刷視頻是不太可能了。不過，量子計算機卻能幫我們研發(fā)出更好的材料，從而制造出性能更優(yōu)秀的傳統(tǒng)計算機。
其實，量子計算機和傳統(tǒng)計算機，它們的存在從來都不是對立的，如果只有傳統(tǒng)計算機，我們就無法搞定那些過于龐大的計算，如果只有量子計算機，過高的制造與維護成本同樣會讓科研寸步難行。只有它們合作，我們才能更好的叩開通往星辰大海的門。
其實，同樣的道理放在我們?nèi)祟愔g又何嘗不是如此？只有我們團結(jié)一致，精誠合作，才能走向更好的未來，而不是在互相制約中走向毀滅，你們覺得呢？
