量子霸权——计算速度的极限

2019年美国科技公司谷歌公司在NASA上发表了一篇论文，宣称：谷歌的 AI Quantum 研究小组的53量子比特处理器实现了“量子霸权”，即量子计算机可以仅用200秒的时间，完成目前最强的超级计算机需要花费10000年才能完成的计算量。那么量子计算机这种恐怖的计算速度是如何达到的呢？所谓的“量子霸权”又是怎么一回事呢？

首先简单说一下，传统计算机是如何进行计算的，传统计算机通过高电平和低电平来表示0和1，然后通过逻辑门来实现逻辑运算。常见的逻辑门包括：“与”门、“或”门、“非”门、“异或”等等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。以此为基础，计算机可以实现各种数学计算。

传统计算机的发展遵循着摩尔定律，摩尔定律为大众所熟知，即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番，算力就增强一倍，这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限，这一定律已经放缓甚至失效。

传统计算机中，一个比特只能是0或者1，但是在量子世界里，量子比特可同时处于多种态，它可以是几种不同量子态当中的任意几种归一化线性组合，这种状态就是量子叠加态，它可以同时等于0和1，只有在被观察的时候才会坍缩成两种状态中的一种。举个简单的例子，如果量子计算机有3个量子比特，那么就可以说它同时工作在8种状态中；如果量子计算机有4个量子比特，那么就是同时工作在16种状态中。所以，每增加一个量子比特，量子计算机的计算能力都是呈指数增长。现在的超级计算机计算能力，大致相当于50个量子比特的量子计算机计算能力。

说完这些，就来解释下什么是量子霸权呢？量子霸权即量子优势，是指量子计算拥有超越所有经典计算机的计算能力。

量子计算机最强大的就是它的并行计算能力，比如在对海量数据库进行检索时，传统计算机需要遍历所有可能的匹配才能得到结果，而量子计算机却可节省几个数量级的工作时间。特别在计算机安全领域，量子计算机有着非凡的意义和重要的应用，目前最普遍的加密系统，是公私钥加密数据，是获得了公钥之后通过数学方法来计算私钥，如果别人不知道私钥，那么破解密码可能就需要数年的时间。但是量子计算机惊人的计算能力，可以在很短的时间内破解密码，传统的加密系统，在量子计算机面前将变得毫无抵抗能力。