量子計算機為何如此強悍，比超算快上億倍，基本原理是什么？

一提到量子計算機，大家的第一反應就是快，具體能有多快呢，簡單來說，現在地表最強的超級計算機在幾億年都運算不完的問題，用量子計算機只需幾秒就能搞定。

量子計算之所以可以如此快，其本質在于基層運算邏輯和電子計算機完全不同。

如今我們所處的互聯網時代，其底層邏輯都是基于單向運行的二進制來開展的。

傳統計算機的核心就是CPU，而CPU的本質就是由無數個晶體管構成的大號控制器，每一個晶體管就像是一個開關，通過開關的打開和閉合表示0和1，而0和1的二進制組合可以表示任何數字，字母以及像素點。所以屏幕上呈現的文字和照片都可以用最基本的0和1的組合表示。

但是0和1的組合是線性過程，要想表示更多的信息，0和1的組合的長度也會更長。

經典的CPU在處理二進制時，一次操作只能處理一次，信息越多，CPU處理的時間就越長。

量子計算機之所以快，是因為不再采用二進制這種看起來簡單線性的操作方式，而是采用量子位，也就是量子比特。

可能很多人對量子比特的概念比較陌生，但是經常看我視頻的粉絲肯定對量子力學有一定的了解。

量子力學是研究微觀世界的一門學科，具體來說，微觀世界就是次原子世界，也就是比原子還小的那些粒子構成的時空。

而微觀粒子的運動和宏觀物體完全不同，微觀粒子具有波粒二象性，量子疊加態。

通俗一點說，微觀粒子可以同時處于多個位置。而這些位置分布可以彌漫整個宇宙空間，所以微觀粒子就特別像是波，而大部分時候波的能量往往會聚集到某一個固定的空間尺度上，從而形成波包，而波包就是我們常常說的粒子狀態，如果波包比較分散，這時候微觀粒子就更像是一條波。這也就是粒子波粒二象性的體現。

從本質上來說，微觀粒子的內稟屬性就是模糊，不確定的。這種性質也造就了量子疊加的特異現象。

量子疊加就是量子系統的量子態，可以是幾種不同量子態中的任何一種，通俗一點來說，一個粒子在測量之前可以處于多種狀態，比如電子的自旋，它是內在角動量的表現，未測量前，電子即可以處于上旋狀態，也可以處于下旋狀態。而一旦測量電子的自旋，要么就是上旋，要么就是下旋，這時候疊加態就會消失。

量子計算機的本質就是利用微觀粒子可以處于疊加態的特性制造的。

然而，微觀粒子的量子疊加態很容易受到外界的能量干擾，導致疊加態坍塌，也就是從量子態過渡到經典態，這就是量子退相干。

如果要想量子計算機持續運行，就得一直保證粒子處于疊加態，這就對外界的環境要求極為苛刻。

所以，量子計算機必須待在“冰箱”里，這種冰箱所提供的溫度僅僅只能比絕對零度高一點點，以杜絕外界粒子的能量干擾。

只有這樣，粒子的疊加態才能持續維持住！

我們可以想象一個量子位的自旋疊加態代表0和1，在沒有對量子位操作之前，量子位可以處于0和1的任何狀態。

其實量子位可以用任何基本粒子來代替，比如，電子，光子，這是因為微觀粒子都具有疊加態，用哪一種粒子都無所謂的。但是考慮到粒子的操作難度和制作成本，我們一般采用光子作為量子計算的基礎粒子。

在數學上，我們可以將疊加態寫成│ψ>，其中psi代表的是波函數，表示量子位的疊加，α平方表示疊加態處于0的概率，β的平方表示疊加態處于1的概率。但不管如何，0或1的總概率必須為100%，

所以α的平方加上β的平方就必須等于1。在經典計算機中的二進制中，如果我們選擇α為1的話，那β就必然就為零。反之亦然。

但是在量子計算機中，只要滿足α2+β2＝1，α和β就可以在公式成立的前提下，取0到1之間的任何值。比如當α取1/√2，那β的取值也就是1/√2。

正是因為α和β的取值在滿足公式的前提下，可以取任何值，所以，理論它們就能處理無數個問題。

比如當輸入的量子位為1時，輸出對應的一個結果，輸入量子位為0的時候，又輸出一個結果。除此之外，當輸入量子位處于0~1的任何一個數字時，就會輸出相對應的結果。所以我們就可以通過量子位的疊加，同時處理介于0到1之間的任何數值的運算。

但要注意，量子計算機在運行的時候是不能測量的，因為測量行為會導致疊加態坍塌，這就會造成一個問題，輸出的結果是以概率的形式呈現的。而我們如果要通過量子計算機處理問題，就必須得到確定的，也就是經典的結果。不然的話，量子計算運行的結果就會造成混亂數據的局面。

這就需要量子編程科學家，通過極其復雜且精妙的設計程序，提高精確答案的概率，這就是量子糾錯。

那我們應該怎么操作，才能提高量子糾錯的能力？

由于疊加態就和波一樣，如果要想獲得精確的答案，我們就需要對錯誤的結果進行破壞性的干擾，有目的且精確的干擾，盡可能排除掉所有的錯誤項，這樣就會提高獲得正確答案的概率。

如果量子糾錯的能力越強，那么量子計算獲得正確答案的概率也就越高，這樣一來，量子計算機才能真正步入商業化。