倒計時至 Q 日 - 第 1 部分 作者：@apruden08 量子計算利用量子力學，這是科學所創造的最準確的物理理論。自從物理學家理查德·費曼在 1981 年首次提出這一概念以來，量子計算機已經從理論走向現實，目前已有多個功能原型可用。 它們在最小尺度上的實現是一個理論上的勝利。然而，這些第一代機器與即使是消費級的經典硬件相比仍然是初步的。為了使量子計算機變得相關，它們必須擴展。儘管我們稱它們為“計算機”，但量子計算機在根本上與您用來閱讀此內容的經典機器不同。理解量子力學的核心原則，特別是它與我們經典計算概念的不同，對於理解量子計算機的潛在能力以及構建量子計算機的挑戰至關重要。 這篇文章是五部分系列的第一部分，將提供對量子計算的基礎理解，以及估算加密相關量子計算機時間線的方法論。這個基礎最終將為我們提供一個框架，以現實地評估 Q 日的時間線，瞭解我們還有多長時間來準備。 經典計算與量子計算之間的基本差異 雖然經典計算機在相對簡單的邏輯概念上運行，但量子計算機依賴於量子力學的原則，這些原則挑戰了我們對信息的日常直覺。像疊加、糾纏、干涉和不可克隆定理這樣的概念使量子計算機與經典計算機具有根本不同的特性，因此具有不同的能力和侷限性。 以下是一些固有定義量子計算機的量子力學關鍵方面： 疊加 - 在量子力學中，粒子並不佔據像經典比特那樣明確的狀態。相反，它們存在於疊加狀態中，或是可能狀態的線性組合，由波函數描述。這個波函數編碼了它所描述的系統的所有可能狀態。 具體而言，經典比特明確表示 0 或 1，而量子比特可以同時處於兩者的疊加狀態。您在測量時得到的結果取決於從波函數導出的概率分佈。換句話說，疊加使量子比特能夠編碼比經典比特更豐富的狀態空間，這就是量子計算的指數潛力所在。 這一點對於理解構建量子計算機的主要挑戰之一至關重要。在經典計算中，測量是被動的，因為讀取內存不會改變它。但在量子力學中，測量系統的行為會將疊加狀態坍縮為明確的狀態。為了從量子計算機中獲得有意義的優勢，必須在合適的時刻小心地保持這種疊加。 糾纏 - 在量子力學中，粒子可以糾纏，這意味著它們的狀態以某種方式相互關聯，必須作為一個單一系統來描述。即使在遠距離分離的情況下，一個粒子的測量結果也與另一個粒子的狀態相關（甚至由其決定）。 換句話說，糾纏是一種跨越多個粒子的特殊疊加。它是使量子計算機能夠指數級擴展的關鍵特徵之一，但也是在時間和/或距離上保持的最脆弱的特徵之一。 干涉 - 量子概率與經典概率之間的一個關鍵區別在於干涉的概念。在經典系統中，概率簡單地相加（例如，拋擲兩個硬幣每種結果的概率為 25%）。但在量子力學中，幅度（波函數的組成部分）可以在測量之前相互干涉。這些幅度可以相互增強（建設性干涉）或相互抵消（破壞性干涉），具體取決於它們的相對相位。 量子計算機可以利用這一現象“引導”計算朝向正確的答案。量子算法的設計使得錯誤答案相互干涉並抵消，而通向正確答案的理想路徑則相互增強並主導最終結果。如果沒有這種放大正確結果和抑制錯誤結果的能力，量子計算將不會比經典隨機化方法提供任何優勢。 不可克隆定理 - 由於讀取對系統有直接影響，因為它會將疊加狀態坍縮為明確狀態，因此不可能“複製”量子狀態。這就是不可克隆定理。 ...