倒计时至 Q 日 - 第 1 部分 作者：@apruden08 量子计算利用量子力学，这是科学所创造的最准确的物理理论。自从物理学家理查德·费曼在 1981 年首次提出这一概念以来，量子计算机已经从理论走向现实，目前已有多个功能原型可用。 它们在最小尺度上的实现是一个理论上的胜利。然而，这些第一代机器与即使是消费级的经典硬件相比仍然是初步的。为了使量子计算机变得相关，它们必须扩展。尽管我们称它们为“计算机”，但量子计算机在根本上与您用来阅读此内容的经典机器不同。理解量子力学的核心原则，特别是它与我们经典计算概念的不同，对于理解量子计算机的潜在能力以及构建量子计算机的挑战至关重要。 这篇文章是五部分系列的第一部分，将提供对量子计算的基础理解，以及估算加密相关量子计算机时间线的方法论。这个基础最终将为我们提供一个框架，以现实地评估 Q 日的时间线，了解我们还有多长时间来准备。 经典计算与量子计算之间的基本差异 虽然经典计算机在相对简单的逻辑概念上运行，但量子计算机依赖于量子力学的原则，这些原则挑战了我们对信息的日常直觉。像叠加、纠缠、干涉和不可克隆定理这样的概念使量子计算机与经典计算机具有根本不同的特性，因此具有不同的能力和局限性。 以下是一些固有定义量子计算机的量子力学关键方面： 叠加 - 在量子力学中，粒子并不占据像经典比特那样明确的状态。相反，它们存在于叠加状态中，或是可能状态的线性组合，由波函数描述。这个波函数编码了它所描述的系统的所有可能状态。 具体而言，经典比特明确表示 0 或 1，而量子比特可以同时处于两者的叠加状态。您在测量时得到的结果取决于从波函数导出的概率分布。换句话说，叠加使量子比特能够编码比经典比特更丰富的状态空间，这就是量子计算的指数潜力所在。 这一点对于理解构建量子计算机的主要挑战之一至关重要。在经典计算中，测量是被动的，因为读取内存不会改变它。但在量子力学中，测量系统的行为会将叠加状态坍缩为明确的状态。为了从量子计算机中获得有意义的优势，必须在合适的时刻小心地保持这种叠加。 纠缠 - 在量子力学中，粒子可以纠缠，这意味着它们的状态以某种方式相互关联，必须作为一个单一系统来描述。即使在远距离分离的情况下，一个粒子的测量结果也与另一个粒子的状态相关（甚至由其决定）。 换句话说，纠缠是一种跨越多个粒子的特殊叠加。它是使量子计算机能够指数级扩展的关键特征之一，但也是在时间和/或距离上保持的最脆弱的特征之一。 干涉 - 量子概率与经典概率之间的一个关键区别在于干涉的概念。在经典系统中，概率简单地相加（例如，抛掷两个硬币每种结果的概率为 25%）。但在量子力学中，幅度（波函数的组成部分）可以在测量之前相互干涉。这些幅度可以相互增强（建设性干涉）或相互抵消（破坏性干涉），具体取决于它们的相对相位。 量子计算机可以利用这一现象“引导”计算朝向正确的答案。量子算法的设计使得错误答案相互干涉并抵消，而通向正确答案的理想路径则相互增强并主导最终结果。如果没有这种放大正确结果和抑制错误结果的能力，量子计算将不会比经典随机化方法提供任何优势。 不可克隆定理 - 由于读取对系统有直接影响，因为它会将叠加状态坍缩为明确状态，因此不可能“复制”量子状态。这就是不可克隆定理。 ...