它正在醞釀一場科技大變革

自世界上第一臺電子計算機“ENIAC”於1946年誕生以來，電子計算機的運算性能便一直以指數倍的形式不斷增長，在科技的推動下，我們的計算機正不斷變得越來越小，而目前計算機元器件的尺寸甚至都已經接近單個原子的大小了，但這也意味著計算機的運算速率快要觸碰到物理性能的極限了。

眾所周知，計算機元器件主要由晶體管構成，晶體管是計算機處理數據的最基本單元，它就像一個開關一樣，可以允許或者阻擋電子信號通過，而由這些電信號組成的數據就是我們所熟知的比特，對於一個比特來說，它的數值可以是0或者是1，經過人為定義，一組比特就可以用來表示各種複雜的指令和數據。

晶體管通常都被用來組成各種邏輯門，雖然單個邏輯門只能完成很簡單的工作，但是將不同的邏輯門組合到一起，就能完成諸如將兩個數值相加這樣更有意義的工作，我們可以把邏輯門想象成一群能夠完成基本數學運算的小學生，當他們的數量達到一定規模時，你就可以讓他們完成各種複雜的運算，無論是解方程還是數列，全都不在話下。

而如今一個普通晶體管的大小僅有14納米左右，和血紅細胞相比，還不及它的五百分之一大，由於晶體管已經縮小到僅有數個電子大小，所以電子信號有時候會無視晶體管的阻礙，直接通過一個已經關閉的開關，這種現象就叫做“量子隧道”效應。

量子隧道效應對計算機來說是一個真正意義上的“物理屏障”，因為傳統物理學的那套定律並不適用於量子世界中，在量子尺寸上，許多物理現象都變得極為反常，而這就使得傳統計算機無法像以前那樣藉助物理上的改進來繼續提升運行效率。

而在不久的將來，或許就只有量子計算機才能幫我們突破這個屏障，繼續提升運行效率，和普通計算機一樣，量子計算機也用比特來表示各種指令和數據，但量子比特可以同時處於多種狀態，它可以同時表現出所有偏振狀態，而這種特性就被稱為量子疊加態，不過一旦你嘗試通過光子探測器去確定它的值，他就會立刻成為水平極化或者垂直極化狀態中的一種。

所以只要它不被探測器觀察，量子比特就會處於疊加態，既同時等於0和1，誰也無法預測它的值，但在被觀察的一瞬間，它就會坍塌為兩種狀態中的一種，兩個傳統比特表示的數據在某一特定時間只能是4種組合方式中的一種，但是對兩個量子比特來說，它卻同時處於4種組合狀態，而每增加一位量子比特，它表示的數據都會呈指數倍增長，僅20位量子比特就已經可以同時表示百萬種不同的組合了！

量子比特另一個令人難以置信的特性就是它們還具有糾纏態，糾纏使一個量子比特上發生的變化會立即反應在另一個相關聯的量子比特上，這意味著只要通過觀察知道其中一個的狀態，另一個的狀態也就不言而喻了。

如果我們能充分利用量子糾纏和疊加的特性，量子計算機的運算效率就將大大超過傳統計算機的效率，由於量子比特可以同時表示多種狀態，因此它的一次運算就可以處理多種不同指令，而一個40比特的量子計算機，就能在很短時間內解開1024位計算機花上數十年才能解決的問題。

量子計算機在計算機安全領域同樣有著非常重要的應用，目前的電子郵件以及銀行數據大多采用公鑰加密的方式來確保數據安全，這些公鑰一般只能由對應的私鑰持有者解開，但在獲悉公鑰之後，私鑰其實是可以通過數學方法推算出來的，用傳統計算機破譯這些私鑰可能需要耗費數年的時間，但藉助量子計算機，只需短短几分鐘便可以破譯出這些私鑰。

量子計算機還可以被用於模擬量子現象，在醫學領域，模擬量子能幫助我們瞭解各種蛋白質的特性，從而促進醫學科技的發展，但模擬量子現象的運算通常需要耗費大量地資源，目前大多數傳統計算機都無法達到模擬的精度要求，但運行速率更快的量子計算機卻能輕鬆地勝任這一職務。

目前我們還不知道量子計算機究竟能在那些領域大放異彩，也不知道它能否在未來數十年內被完全發明出來，但有一點可以肯定，它的出現勢必會引起新一輪的科技大變革，或許力度並不會像前兩次工業革命那樣大，但效果絕對會令我們驚歎不已。

歡迎關注“奧祕匣子”，軍科探祕魔盒，開啟全新視野！

*參考資料

[1] ColdFusion: How Quantum Computers Could Change the World, 2019.05.23

[2] ColdFusion: Quantum Computers - FULLY Explained!, 2019.05.27

[3] BBC Click: What is Quantum Computing?, 2017.12.20

[4] Kurzgesagt – In a Nutshell: Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology, 2015.12.08