量子计算机时代来临：超乎想象的运算能力

假使一台千万量子比特（量子位元）的“量子计算机”突然落入超级黑客手中，会发生什么事呢？这绝对会是场灾难！不只你的微博、云端密码被破解，银行安全系统被入侵，数亿人的资产被掏空，国家安全的机密被摊在阳光下，信息揭露的下一步，可能引发难以想像的风暴。

IBM希望15年内让量子比特数突破千万，届时传统电脑耗费“万年”才能计算的线性代数难题，量子计算机在数分钟就可迎刃而解，因此现在密码学的系统必须调整，立即进入“抗量子”时代。

为什么“量子计算机”像只巨兽般无所不能呢？难道它是“超级电脑”的加强版，由更多的位元组成吗？不是的，传统电脑和量子计算机是两种截然不同的资料处理形式。

量子计算机时代来临：超乎想象的运算能力 — IBM量子计算机的内部构造，上面的一根根的都是同轴电线。

神秘的量子行为连爱因斯坦都无法接受

传统电脑以位元（bit）的形式处理资料，每一个位元会在两种状态中切换，这两种状态被标为0和1；量子计算机则用量子比特（qubit）来做，它可以0、1的线性组合的叠加态。

量子比特在叠加态（superposition）时，假如把位元的位置以球体标示，南、北极位置分别代表0和1，传统电脑的位元只能在两极之间切换，但若是量子比特叠加时，它能在二维球面上任何位置，不限于南北极。

量子计算机的具体表现，可以用“翻硬币”的量子博弈游戏来想像，一个黑盒子中有一枚硬币，你跟电脑轮流去黑盒子里翻硬币，你可以选择翻或不翻，你和电脑都不会知道彼此对硬币做了什么，数轮下来，打开盒子如果是人头朝上就是你胜，反之就是电脑胜。

如果是古典博弈，你跟古典电脑的胜率各是一半一半，因为古典行为只有翻或是不翻，位元只能以0、1两种方式呈现；但量子计算机不一样，它在黑盒子里可能不直接翻成正或反面，而可能是将硬币“转动”起来，而这个量子转动，不懂量子策略的人无法察觉。最后，只要你一开盖观测，硬币就会变成反面朝上，量子计算机胜率达百分之百。

这听起来非常不可思议，对吧！连爱因斯坦也难以接受量子力学，他曾说：“是不是只有当你在看它的时候，月亮才在那里呢？”这个奇怪问题点出“量子行为过程无法被观测”的神秘性质。没有人知道在黑盒子里，量子计算机到底对硬币做了什么事情，量子具体处在什么位置，只要我们一观测，量子叠加和纠缠等行为便会消失，量子就恢复古典粒子行为。

要了解这个现象，恐怕要读个十几年物理学了。但现在量子计算机都被制造出来，你不如就接受它、用它吧！

量子纠缠带来双指数成长的计算能力

量子的神秘力量不只如此，当粒子处于量子状态时会有纠缠的特性，又称为“量子纠缠”。如同字面上的意思，“纠缠”指的是数个量子绑在一起成为命运共同体，这就是“你泥中有我，我泥中有你”，彼此的状态会连动，力量还能够加乘，同时处理不同于古典电脑的计算。

大家都听过“摩尔定律”，指的是积体电路上容纳的电晶体数量，每隔两年便会增长一倍，大致说明电脑运算能力会呈指数型的成长，即2¹、2²、2³。不过缠绕特性会让量子计算机的计算能力以“双指数成长”，即22¹、22²、22³，这是今年Google量子人工智慧实验室主任Hartmut Neven所提出的，又称为“NevenLaw”。

去年世界最快超级电脑Summit每秒能够执行20亿亿次（ 2*10¹⁸）的浮点运算，它的非挥发性存储器（NVRAM）达800GB（gigabyte，10亿位元组）。如果能控制量子彼此纠缠，并经过运算的除错程序，量子计算机就能以40个左右逻辑量子比特，达成“兆”位元（ 10¹²）才有的运算能力，目前一般认为一个有除错功能的逻辑量子比特，可能需要一千到一万左右的物理量子比特组成。

目前IBM开放5个量子比特供大众使用，只有两位元纠缠而已，今年十月IBM53个量子比特的新机器即将上线，预计有16个量子比特可以直接纠缠。

量子难以纠缠是因为粒子是很难达到量子状态，即便达到量子状态，要长时间控制它也不容易，像IBM就采超导体材料制造量子比特，并以微波控制位元，但超导体必须在接近绝对零度（-273.15℃）的严苛环境下运作，亦有相干状态寿命短等许多问题待克服，目前各国科学家还在寻求不同方式突破，主要当然政府也砸钱支持才会有突破。