近年來，我們經常從各種媒體上看到諸如」量子計算機僅用3分20秒就能完成超級計算機要用1萬年的計算「之類的報導。那麼這些說法正確嗎，不能說錯，但其實是有意無意忽略了這樣一個事實，即這樣的速度僅僅是在特定問題上的結果，並不是我們普通人理解的通用計算。下面，我們以問題的形式來說明一些關於量子計算機的基本概念。

1.普通人什麼時候能用上量子計算機

量子計算機的研究和發展還處在早期的階段，基本上還是研究性和試驗性的。

如果非要類比電子計算機的發展歷史，那麼目前量子計算機所處的發展階段還在非常早期，大概相當於上世紀40年代或者50年代電子計算機的發展水平。

隨著量子計算機研究的進展，其應用首先會在某些特定領域、特定行業、特定問題上應用，距離普通人的應用還有很長的路要走。

2.量子優越性是如何實現的

首先，用」3分20秒就能完成超級計算機要用1萬年的計算」這個說法源自於谷歌2019年發表的研究論文，其中採用的量子計算機是53個量子比特位，所以這個說法並不能完全算錯。

同樣，中國潘建偉團隊2020年12月宣布的「九章」計算機，在求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「富岳」需6億年；當求解100億個樣本時，九章需10小時，而富岳需1200億年。2021年誕生的九章二號更進一步，構建了113個光子144模式的量子計算原型機，處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快10的24次方倍。

普通人一看這樣的報導就激動了，心裡想著就算打點折扣，10個小時完不成，20個小時總能完成了吧，那也是電子計算機的無數倍。

實際上這完全是一種誤解。因為量子計算機目前只能針對特定問題。

以九章為例，高斯玻色取樣是一個非常具體的問題，是指當n個全同玻色子經過一個干涉儀之後求高斯分布的輸出概率。它涉及量子物理的多個概念，非專業者確實不大容易理解。

可以用很多人小時候玩過的「彈珠遊戲」類比：一個木板上均勻地釘著一些釘子，把彈珠從頂部放進去，當小球向下降落過程中碰到釘子時，會以50%的概率向左或向右滾下，於是又碰到下一層釘子。如此繼續下去，直到滾到底板的一個格子內為止。不同的格子代表著不同的獎品，如糖果和玩具等。

當有很多個小球從上往下隨機掉落時，落在底部的格子裡的小球在分布上就會呈現一定的統計規律。通常情況下，小球會在底板堆成近似於正態的密度函數圖形，也就是前述高斯玻色取樣概念中提到的「高斯分布」。

而在九章解決高斯玻色取樣過程，實際上就是用量子模擬小球下落的過程，並不存在我們通常理解中的計算。在模擬過程中，玻色子就好比小球，干涉儀就好比釘板，每個數據的生成均是物理過程，真實的小球與釘子相碰後會根據真實物理現象隨機彈開，並不需要對彈開的具體數據給出計算解釋。

說白了，量子計算機是扔了無數小球下去，每個小球實現了某一個特定運行軌跡，統計這些小球的實際運行軌跡，就得到了高斯分布的結果。而普通計算機要想用「計算」得到運行軌跡，就需要綜合考慮小球的質量、入射角度、速度、小球表面弧度、硬度等等，然後才能計算出小球碰後的狀態。對於數據輸入、數據變換和數據輸出都必須給出計算過程，而這一計算量會變得非常龐大。

3.我們的密碼還安全嗎

現代密碼學的主流算法是基於大數分解。很多人都擔心量子計算機的強悍算力會讓現行的加密體系變得不安全。前面已經說過，量子計算機目前還僅僅用於解決特定問題，目前尚未出現在分解大數方面實現」量子優越性「的量子計算機，因此目前我們的密碼是安全的。

即便將來有一天我們造出了量子計算機，也可能只是在某一方面具有比電子計算機有更強的性能。

4.量子計算機發展的難點在哪兒

還是要從量子計算機的原理說起。

普通計算機解決問題，有點像窮舉法或者排除法，嘗試所有的可能。而量子計算機解決問題，是用量子疊加態構建一個包含所有可能的初始量子態，再用量子干涉去操控，放大引起正確答案的信號，削弱引起錯誤答案的信號，最終讓量子比特「坍縮」成唯一正確的答案。

量子所能疊加狀態與量子比特的數目有關，100個量子所能夠疊加的狀態就是2的100次方，每多一個量子比特，所能容納的狀態就會翻倍，真正的指數級增長。

理論上很完美，似乎只要增加量子比特就可以了。但實現起來困難重重，要想在龐大的機器中捕捉量子並讓其按照規定的方式運行，技術難度非常大。而且量子比特太脆了，噪聲、電流、甚至遙遠星系的超星星都有可能讓其崩潰，產生錯誤。在現行技術下，要讓1個物理比特正確運行，甚至需要上千個來糾錯，因此一味增加量子比特數，有時攜帶有效信息反而會下降。