量子計算的理論基礎是量子力學，因此理解量子計算之前有必要了解量子力學。
**什麼是量子？**
物理學家費曼曾經說過：“萬物是原子組成的，原子都具有波粒二象性” ，量子從這句話引申出來，那就是：量子就是波粒二象性。二象性說的是一個東西同時擁有兩種性質，所有的粒子，除了具有點粒子的性質之外，還同時具有波的性質，這就叫做波粒二象性。有一個方程同時具有這兩個視角，它就是薛定諤方程。

**什麼是量子疊加態？**
從波的角度來看，一束波可以同時處於好幾個狀態，比如在聽音樂的時候，我們可以同時聽出好幾種不同的樂器聲，這種狀態叫疊加態。宏觀世界不存在這種狀態，在微觀世界，在被觀測之前，可以沒有一個固定的狀態，是幾種狀態的疊加態，也就是：“既.....，又......”。粒子，既在這裡，也在那裡。

**什麼是量子糾纏？**
量子糾纏最早由愛因斯坦提出，稱之為：“鬼魅般的超距作用”。對一個粒子進行測量，另一個粒子無論在哪裡，都會瞬間響應，中間不需要任何時間。糾纏的物理狀態，可以相同也可以相反，而且2個粒子可以糾纏，3個也行，N個粒子都可以。

有了上面的基礎，我們回過頭來看看量子計算。量子計算之所以威力巨大，來源於量子疊加和並行演化以及量子糾纏。
**量子位元和並行演化**
相對於量子力學中的粒子，我們把量子計算中的粒子成為量子位元。量子位元的狀態在同一時刻，既可以是1也可以是0。注意，這裡有一個關鍵詞：同一時刻。在經典計算中，位元只能是0和1中的一種，而不能同時是0和1。同時是0和1有什麼好處呢？給定N個量子位元，可以同時表示2的N次方狀態，而經典計算同時只能表示2的N次方種狀態中的一種，這是一個質的區別。舉個例子，在同一個時刻，8位的經典位元，只能同時表示00000000~11111111中的一種，而量子位元可以**同時**表示00000000~11111111，儲存容量隨著量子位元的增多指數級的增長！
在這個基礎上，如果我們能夠設計演算法，把2的N次方種狀態同時進行演化，那算力的提升相對於經典計算機就是質的飛躍了。舉個例子，我們計算1+2+3+4+5+6+7+8+9+10，經典計算有兩種方式，一是序列計算，先計算1+2得到3，然後3+3得到6，然後6+4得到10，然後繼續跟後面的數相加得到結果，二是平行計算，第一輪同時計算1+2,3+4,5+6,7+8,9+10，第二輪對上一輪的結果兩兩同時計算，第三輪類似。序列計算的演算法複雜度是O(n)，平行計算的演算法複雜度是O(logn)，有沒有O(1)的演算法呢？有，那就是量子計算，在8個量子位元的環境中，一共有256（2的8次方）種狀態，把其中10種狀態編碼為1\~10，其他為0，可以設計一種演算法，把這十種狀態經過這個演算法之後演變為結果（即55）。
由於演算法複雜度是O(1)，因此不管規模（n）多大，複雜度都是常數，這是了不起的進步！

**資料同步**
熟悉資料庫的同學都知道了，在HA場景下，會有主備兩個資料庫，主庫需要把增量資料透過傳送WAL日誌或者其他方式同步給備庫。在量子計算下，我們可以設定主機和備機的量子為糾纏狀態，主機變化的時候備機自動變化，而這中間無需傳輸任何的資料，時間卻可以是實時同步！

上面兩個特性夠激動人心了吧？不過等到真正商用還需要很長的時間，目前的量子計算仍然只是專用計算而做不到通用計算，而且硬體上面仍存在非常多的困難需要克服，讓我們拭目而待吧。

前沿科技：量子計算

相關文章