5月3日，一条科技新闻刷遍全媒体，中国科学技术大学潘建伟院士在上海宣布，我国科研团队成功构建的光量子计算机，首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力。这确实是科技界的一条大新闻。量子计算机，这个名字听上去就足够高端大气上档次。那么到底什么是量子计算机呢？我努力让你用15分钟的时间闹明白。
什么是量子，这个是物理学上的一个名词，表示能量的最小单位，一般在我们日常口语中，量子可以是所有基本粒子的统称，比如说光子、电子、夸克、胶子等等。但是请注意，原子不是基本粒子，因为原子不够“基本”，它是由质子和中子组成的。不过，质子和中子也不够基本，它们也是由更小的基本粒子夸克和胶子组成的，但夸克和胶子是不是够基本呢？也不见得。
总之，想要准确的定义到底什么是量子，其实是一件很困难的事情，科学研究也还没到头。但是电子和光子肯定属于我们今天的主角“量子计算机”中的量子。我们得先从电子的一个神奇特性说起，首先，我们要理解一个基本概念，就是“角动量”。最常见的比喻就是花样滑冰中的旋转动作。运动员把自己抱的越紧，就转的越快，物理原因就是在一个系统中，角动量守恒。
所以，笼统地说，角动量就是转动扫过的圆面积和转速的乘积，是一个固定的值，面积变小了，速度就必须增大。角动量守恒是物理学中的一个最基本的定律。但是，我们在实验中发现，电子和原子构成的系统，有时候角动量却不守恒了，这让物理学家们非常吃惊，后来发现，丢失的角动量其实跑到了电子身上。也就是说，单个电子也有角动量，系统的总角动量还是守恒的，物理学家们因此如释重负。
因为角动量跟旋转有关，所以电子就可以被认为具备“自旋”的特性。我必须强调一句，虽然叫做自旋，但真实的电子只是一个没有大小的点，它不可能像陀螺一样绕着一个轴旋转。那它到底是怎么个转法？对不起，真的没法描述，说实话，物理学家们也不知道，量子世界的很多东西都是只能意会无法言传，就像波粒二象性。我们只是在实验中发现电子有角动量，然后给电子的这个特性起了个形象化的名称叫“自旋”，仅此而已。
科学家们还发现，电子的自旋态只有两个自由度。我只能用比喻的方式帮助你理解，假如把旋转的滑冰者比喻成一个电子，那么，不论我们朝哪个方向去观察它，都只能看到两种结果中的一种，要么头对着我们转，要么脚对着我们转，只可能是两个相对的方向，不可能看到其他情况。这个大概就是电子只有两个自由度的概念。大家都知道，我们的空间是一个三维的空间，也就是说空间中有三个互相垂直的方向，我们把他称之为X、Y、Z。
为了语言上描述的方便，现在我们来做一个人为的规定，假如我们从Y轴方向去观察一个电子，那么电子就有两种自旋态，一种称之为向上自旋，一种称之为向下自旋。假如我们从X轴方向去观察一个电子，那么我们就称之为向左自旋或者向右自旋。注意，这个上、下、左、右完全是为了语言描述的方便，并不是真正的上下左右，我也完全可以用A、B、C、D来指代。
接下去，物理学家又发明了一个装置，称之为偏振器，它可以对电子进行筛选，比如，只允许向上自旋的电子通过，或者只允许向左自旋的电子通过等等。有了偏振器后，科学家们就可以在实验室中来具体测量某个电子在某个方向上的自旋态了。结果，所有的科学家都发现，不可能在两个不同的方向上同时测准某个电子的自旋态。这就是大名鼎鼎的量子不确定性原理。
偏振器爱因斯坦对此的解释是我们的每次测量行为都会改变电子的自旋态，所以就没法同时测准。但是另外一位著名的德国物理学家玻尔却不同意爱因斯坦的解释，玻尔认为电子本身就不具备确定的自旋态，两种相对的自旋态是处在叠加状态，一个电子是上自旋还是下自旋，在你测量之前是不确定的，只有测量了以后才能确定下来。玻尔的这个解释当然显得很反常识，爱因斯坦就是第一个跳出来反对的。
玻尔也毫不示弱，俩人一直到去世都在为此争吵不休。不过，随着物理学的发展，实验水平的提高，这段公案终于在上世纪八十年代有了一个彻底的了断：玻尔是对的，爱因斯坦输的彻彻底底。科学家们发现，不仅仅是电子，所有的量子都有这个神奇的特性：当我们不去测量时，它的自旋态是叠加的，它同时处在上自旋和下自旋中。就是这么奇怪。
操作原子的激光器系统——操控原子的量子态传统电子计算机的最基本工作原理虽然电子就是量子，但是传统的电子计算机没有用到上面提到的量子不确定性，所以我们只称之为电子计算机。在电子计算机中，最基本的工作单元是二极管和三极管，但不论是什么“管”，它的本质就是一个带开关的管道，关上管道，电子通不过，表示0；打开管道，电子通过，则表示1。有了0和1，就可以用二进制来表示一切信息。
科学家又发明了罗辑电路，可以用0和1来表达最基本的and、or、not也就是“与”、“或”、“非”三种罗辑运算。有了这些，就能做加法运算，有了加法就有了减法、乘法、除法等等一切计算方法。但是，这里面有一个最关键的核心点，电子计算机用来记录信息的基本单元其实不是电子，而是开关。2个开关串在一起，能表达4种不同的排列信息，3个开关串在一起，能表达9种不同的信息，4个开关串在一起就是16种。
每一位，我们称之为1位，也就是我们常说的1个比特（bit）。位数和信息的复杂度的关系是N的平方，N就表示位数，我们现在的操作系统一般是64位的，也就是说用64个开关排成一串作为一个最基本的信息单元，一个信息单元能够表示的复杂度是64*64也就是4096种。量子计算机的工作原理有什么不同呢？最关键的核心点就是，量子计算机用来记录信息的基本单元是真正的电子，用电子的自旋态来记录信息。
比如规定，上自旋表示1，下自旋表示0，那么，一个电子就可以同时表示1或者0，因为电子的自旋态在没有观察之前，是处在叠加态中的。2个电子放在一起就有4种不同的可能性，3个电子就是8种可能性，4个电子就是16种可能性，此时，和4个开关排列的复杂度还是一样的。
但是到了5个电子组合，就是32种可能性，6个就是64种可能性了，换句话说，电子的数量和复杂度的关系是2的N次方，这里的N就表示量子的数量，也称之为量子比特（quatum bit）。我们来对比一下普通比特与量子比特在信息复杂度上的差异，前者是N的2次方，而后者是2的N次方。64的平方是4096，而2的12次方就是4096。也就是说，电子计算机的64位只不过相当于量子计算机的12位。
指数增长是非常惊人的，如果涨到2的20次方，那么复杂度就会变为1048576，如果到了30次方，就突破10亿了，如果指数增加到64，我的电脑已经无法计算出2的64次方到底是多大的数字了，估计比银河系中原子的总数还多。由量子计算机的基本原理可知，评价量子计算机性能的一个最基本指标就是看它能同时精确操纵多少个量子，也就是拥有多少位量子比特。
2013年5月，谷歌和NASA在加利福尼亚的量子人工智能实验室发布D-Wave Two，这台量子计算机的量子比特数是9位，同时操纵9个量子，换句话说，他的信息长度是2的9次方，也就是512位。2016年8月，美国马里兰大学发明世界上第一台由5量子比特组成的可编程量子计算机。
我国刚刚在2017年5月3日发布的这台量子计算机则是用光子取代了电子，因此称之为光量子计算机，量子比特数是10位，因此，信息长度就是1024位。量子比特数每增加一位，性能都是一次飞跃，难度也是极高的。这说明，我国在量子计算机上的科研水平已经走在了世界的前列，当然，量子比特的位数并不是全部指标，我们在可编程性上还没能超越国际同行。
量子计算机从原理上不能完全取代电子计算机，量子计算机不仅仅是在信息长度上有着电子计算机无法比拟的巨大优势，在计算速度上也有着巨大优势。电子计算机的计算速度取决于开关的频率，频率越高，则算的越快，但不管频率有多高，电子计算机只能按次序老老实实地一次一次地做加法运算。所以，我们经常看到，评价超级计算机的运算性能都是用每秒钟运算多少次来评价，这个“次”就是一次最基本的加法运算。
但是，量子计算机却可以充分利用神奇的量子自旋叠加态，在同一时间，并行处理加法运算，而不用排队。而且，运算速度会随着量子比特数的增加呈指数级的增加。我在电视新闻中看到潘建伟在一次讲座中就打了个比方，他说如果量子比特数能达到30位，那么我们现在最快的电子计算机用15年才能完成的运算量，量子计算机1秒钟就够了，就是这么夸张的差距。但这个计算原理要展开讲那又得是非常大的篇幅才行，本文从略。
不过，以目前人类所掌握的量子计算的基本原理，哪怕我们实现了30位可编程的量子计算机，也无法完全取代传统电子计算机。这是因为，量子计算只对特定的，可以用大规模并行计算解决的需求有优势，对普通的文字、图像处理没有任何优势。换句话说，上网看个电影、发个邮件什么的，量子计算机根本发挥不出优势，至少在目前的理论下，没有优势。那么，什么样的计算有优势呢？最典型的应用就是破解密码。
我们现在的加密算法，核心原理都是一样的，就是利用了数学上著名的质因数分解难题。也就是说，两个大质数相乘很容易得到乘积，但是如果你只知道乘积，想从乘积反推出是哪两个质因数却非常困难，除了用2、3、5、7这样一个个质数挨个去试，就没有第二种办法了。于是，这样的两个质因数就可以用来设计成加密解密用的钥匙。所以，破解密码的关键在于质因数分解。
用传统计算机破解，就只能把质数从小到大一次试一个这样去试，这个运算量往往都是天文数字。可是，量子计算机却能同时去试很多个质因数（取决于量子比特位数），魔术般地提高运算效率。还有另外一种运算也特别有优势，就是用来模拟超级复杂的对象，比如天气系统，大气是由无数的分子组成的，如果我们能在计算机中也模拟出几千亿个分子，那么就能精确地模拟出天气的变化。
同样的道理，我们也可以模拟银河系几千亿颗恒星的运动，模拟大脑中860亿个神经元等等。量子计算机是人类计算技术的一次革命性飞跃，量子计算机是完全不同于传统的电子计算机工作原理的计算平台，它的编程模式也完全不同于传统的编程模式，虽然我们现在只是刚刚起步，刚刚做出了原型机。
但是，这就像70年前第一台电子计算机，30吨重的埃尼亚克诞生一样，当时的人们绝对想不到今天我们已经能把计算机装进口袋中，运算速度却是埃尼亚克的百万倍。我们现在也绝对想不到30年或者50年后量子计算机能发展成什么样，量子操纵技术会发展，同时，量子计算的原理也会继续发展，这两者的发展相辅相成，我是真的无法想象未来的种种可能性。
但有一点我敢肯定，量子计算机一定会像今天的电脑和智能手机一样彻底改变我们的生活。我是喜马拉雅、蜻蜓、网易云音乐、企鹅等各大网络电台的科学主播汪洁，欢迎收听我的科普专栏“科学有故事”。如果您觉得本文对您有帮助，请转发分享，保留原作者信息，尊重智力劳动，尊重知识产权。点击阅读原文可收听我的更多科普节目阅读原文