你看過【三體】嗎？在劉慈欣筆下，三體人用一種叫「智子」的黑科技幹擾了人類的實驗，從而鎖死了人類的技術。而在現實世界，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展，電腦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後，我們的算力是不是被鎖死了？沒有更高的算力，我們的技術是不是也被鎖死了？
在【三體】中，打破智子封鎖的是面壁者的計謀，那在現實中，我們要如何打破這無形的「智子」呢？或許，量子電腦就是答案。
那量子電腦究竟是什麽東西？它又是如何幫人類突破算力限制的？它的工作原理又是什麽樣的？且聽我給你慢慢道來！
量子電腦的意義
在探究量子電腦的意義之前，我們不妨先來了解一下傳統電腦。傳統的電腦，是由無數的晶體管構成。這些晶體管在接收到訊號後，會進行「關」和「開」這兩個操作，以此來表達0和1，一組0和1，被稱為「1位元」，是電腦中的最小單位。有了「位元」，我們就能用二進制來表達所有資訊，比如3是「011」，4是「100」，大寫字母「A」是這個—— 「01000010」。
無數這樣的晶體管組合在一起，就構成了電路，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量，晶體管越多，芯片的運算速度就越快，算力也就越強。
我們為何需要算力呢？因為傳統電腦有個根本性的問題——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。簡單來說，當它表達「開」，也就是「1」的時候，它不能表達「關」，也就是「0」。就像一台電燈，它只會出現「點亮」和「熄滅」這兩個狀態，不會有第三種情況。
受制於這種情況，傳統電腦每次計算，都只能得到一個結果，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，傳統電腦只能加快自己的運算速度，或是用多個計算器材同時進行運算。這也就是當今芯片瘋狂卷精度的原因，歸根結底，是因為傳統電腦除了堆砌算力，沒有其他的辦法。
但如今傳統電腦的算力能滿足人類的需求了嗎？並不能，我們舉個最簡單的例子，在進行質因式分解時，傳統電腦可以輕易的把21分成「3*7」，把81分成「9*9」，可如果你讓傳統電腦去分解一個300位的大數，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位大數復雜的運算，這時，傳統電腦的算力就顯得有些捉襟見肘。解決問題的希望，就落在了量子電腦身上。量子電腦能用自己獨特的原理，擺平傳統電腦搞不定的「大麻煩」。
量子電腦
量子電腦的工作原理
不同於傳統電腦，量子電腦內部沒有晶體管，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。構成量子電腦的最基本單元也不是只能表達「0」和「1」的位元，而是表達能力更強的量子位元，Qubit。得益於微觀粒子的物理特性，Qubit的表達範圍雖然依舊在「0」和「1」之間，但它除了能表達這兩個數外，還能表達諸如「0.5」這類位於「0」和「1」中間任意的數。
打個比方，這就像我們在趕路時匯報自己的位置，傳統電腦的位元只能告訴你，「我是否出門了」和「我是否到了」，而量子位元卻能像你匯報「我具體到哪了」、「還有多久才能到」。怎麽樣，是不是覺得量子位元能表達的資訊豐富多了？
你以為量子電腦就這點能耐了？不不不，這還是在只有兩個量子位元的情況下。倘若有三個，量子電腦能同時表達的結果就是2的3次方，8個，比傳統電腦快了8倍。4個量子位元呢？就能同時表達2的4次方，也就是16個不同的資訊。倘若把量子位元的數量擴充的足夠大，一次運算就能獲得巨量的數據，當有300個量子位元同時工作時，它們能同時得到的資訊數量就是2的300次方，這個數是很誇張的，比宇宙中所有的原子總和的數還要多。這不比死磕芯片精度香多了？
量子電腦的局限性
當然，量子電腦不是萬能的，由於它表達的結果過於豐富，因此每次運算時，會產生大量我們不需要的結果。這時我們就要用特殊的量子電路，去篩選我們需要的結果。
量子電路會根據電腦中Qubit的特性，比如微觀粒子的自旋方向、偏振角度、能階、位置、原子核數量等參數，對Qubit進行有針對性的篩選。從茫茫多的計算結果中選出我們需要的那個。因此，量子電腦並不能像傳統電腦那樣具有極強的泛用性和通用性，而是專用電腦。
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，這個參數的運算量又非常的大，需要傳統電腦耗時上萬年。我們就可以制造一台針對這個參數的量子電腦，沒準投入使用的當天，它就能把正確答案呈現在我們面前。但這也是它唯一的作用了。倘若我們再拿這台電腦去計算常溫超導的參數，它就會算的一塌糊塗，根本無法勝任工作。換言之，每台量子電腦在某種意義上都是「一次性產品」，它們只能去處理某個特定的任務，任務完成了，它們就成了廢品。不像傳統電腦那樣，有著極強的泛用性。
同時，量子電腦的保存條件也極為苛刻，量子電腦內部的量子芯片對制作工藝的要求不高，可它對執行環境卻非常挑剔，溫度、震動、雜訊、電磁波甚至光線都會影響量子芯片的狀態，得同時控制好這些變量，才能讓量子電腦正常執行，其維護成本比傳統電腦高太多了。因此，在可以預見的未來裏，我們用量子電腦打遊戲刷影片是不太可能了。不過，量子電腦卻能幫我們研發出更好的材料，從而制造出效能更優秀的傳統電腦。
其實，量子電腦和傳統電腦，它們的存在從來都不是對立的，如果只有傳統電腦，我們就無法搞定那些過於龐大的計算，如果只有量子電腦，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人類之間又何嘗不是如此？只有我們團結一致，精誠合作，才能走向更好的未來，而不是在互相制約中走向淪陷，你們覺得呢？
