你好，這裡是《邵恆頭條》，我是邵恆。
我們可能在網上見過這麼一句玩笑話，“遇事不決，量子力學”。事實上，量子計算究竟是怎麼回事，現在發展到什麼階段了，不是專業人士可能真的沒機會了解。
這期的#邵恆幫你問#，我就為你邀請到了一位在量子計算方面的專業人士，李鐵夫老師。李鐵夫老師是清華大學微電子學研究所的副研究員，從事量子計算機科研工作將近20年，最近還在得到上線了一門新課，就叫做《前沿科技——量子計算》。
今天，我和李鐵夫老師一起挑選了3個有代表性的問題，和你聊聊量子計算。
1. 阿杜、albatross、程卓 Daniel、大海：
老師好，量子有沒有具體物理實體？是不是光子？為什麼會有疊加態和量子糾纏？能不能用最簡單的方式解釋，讓我們非專業的人也能聽懂？
回答：要講清楚量子物理的原理，太難了。在大學裡，專業學生都要學好幾個學期。所以，我在這兒只能簡單介紹一下，讓你感受一下量子世界的神奇。
首先，我要告訴你，你不要把量子當成一個像電子、原子這樣的實體。你問這個問題，可能覺得，量子是一個比原子、電子還小的東西。你腦子裡的模型，已經習慣了我們找到越來越小的單元，去理解和解釋這個世界。物理學家也曾經這麼期待，這個世界可以拆分得越來越小，只是尺度更小了，但基本規則是不變的。
不過，在100年前，物理學家發現，用以往的基本規則，也就是經典物理，在尺度很小的情況下，沒辦法解釋實驗中的新現象了。所以，建立了新規則，就叫作量子物理。
所以，對於普通人來說，你可以把“量子”這個概念當作一個開關。當你聽到量子的時候，就代表著我們解釋的規則變了，從經典物理換到了量子物理。
那經典物理和量子物理這兩套規則有什麼關係呢？就像宏觀經濟學和微觀經濟學一樣。我們描述宏觀經濟學的理論，沒法兒完全解釋微觀經濟學的現象。雖然我們知道，微觀構成了宏觀，但它們是兩套解釋模型。
不嚴謹地說，我們要把能量分成一份一份的，才能解釋新現象，這就是量子的思想。物理學家在這個基礎上，建立了一套數學解釋體系，叫做量子力學。反過來，我們通過量子力學的規則，也可以完成對量子的操控，進行計算工作，就是量子計算。
這個時候，再來看前面的問題。量子有沒有實體？電子、光子是不是量子呢？其實，量子更是一個概念，一種思想。比如電子、光子，它們都是量子體系，因為它們遵循了量子物理的規則。
接下來，我給你簡單解釋一下量子疊加和量子糾纏。
量子疊加是什麼呢？我打個比方。你可能聽說過薛定諤的貓，這就可以理解成一隻量子貓。
這隻貓在同一時刻，用我們經典物理的規則來看，要麼是生，要麼是死，沒有其他可能性。但是，量子物理中，它能夠處於既生又死的狀態，可能是20%生80%死，也可能是一半生一半死，甚至生死的比例還可以隨時間發生變化。那麼，這隻貓所處的這種狀態，在量子物理中稱作“量子疊加態”，意思是說，有兩種基本狀態疊加在一起。你可能覺得有點難理解，沒關係。
再來說說量子糾纏。就是說，如果幾個量子之間產生了糾纏，那這幾個量子就喪失了自我，成為了一個集體。比如說，一個量子在地球，另一個在銀河系邊上。即便我們只是觀測其中一個，另一個也會馬上變化。
上面我所說的，不論是量子糾纏還是量子疊加，都是我們發現的現象。至於說，它們為什麼會這樣，我們無法解釋。我們現在只能用數學公式去描述它。
2. agentle深海、浪漫騎士：
前幾年量子計算機還只是願景般的存在，那麼這次谷歌的重大突破究竟有多重大？中國現在量子計算的研發在世界上處於什麼水平？
回答：要說說最近谷歌的量子霸權代表著什麼，我想先說一說量子計算機的發展。
量子計算的理論從上世紀八十年代就開始了，不過真正把它運用到計算上，還是從量子比特真正實現開始的。比特就是比特幣的比特，你可以把它理解成是一個信息的基本單位，量子比特就是說，計算機裡的信息單位可以用量子物理規則來實現了。
以我所從事研究的超導量子比特為例，它在1999年的時候，在日本NEC公司蔡兆申教授的實驗室第一次被成功演示。後來，各種形式的量子比特也被逐一實現，比如離子阱、量子點、核磁共振等形式的量子比特。這意味著，量子計算機的誕生。
實現了量子比特之後，大家就開始擴大量子比特的規模。科學家們開始熟悉這個新生事物，研究了量子比特的各種設計方案，嘗試了很多材料和結構。其中，標誌性的進展有兩個，一個是2017年的時候，IBM發佈了20個超導量子比特的量子計算機；另一個是2018年，美國初創企業IonQ公司發佈了11個量子比特的離子阱量子計算機。
隨著量子比特數量和質量的增加，運算能力也越來越高了。直到最近，發生了一件里程碑式的事件，Google宣佈，在他們53個量子比特的量子計算機中實現了“量子霸權”。
所謂的量子霸權，就是說對某一個計算問題，量子計算擁有了超越所有經典計算機的計算能力。Google就宣稱，他們的量子計算機成功地在3分20秒時間內，完成了一個專門的計算問題，而傳統計算機計算這個問題需要1萬年的時間。
不過，這只是解決了一個特定的計算問題。我必須要承認，一臺大規模的、能解決實際問題的量子計算機，什麼時候能夠實現，學術界還沒有一個明確的時間點。但好消息是，量子計算這種計算思想，已經在數學上被嚴格證明了，而且迄今為止，我們並沒有發現任何物理學上的困難，會限制量子計算機的實現。所以，量子計算被實現的可能性很大。
那我們國家的量子計算研究進展如何？我可以很自豪地告訴你，中國處在國際科研的第一梯隊。在超導電路、拓撲器件、量子點、離子阱和光子等多個可行方案上，都有團隊做出了世界級的成果。因此，我有理由相信，在量子計算機的研發過程中，中國一定會取得跟國力匹配的科技地位。
如果你想了解更多，我在頭條的第90篇《谷歌的“量子霸權”值得擔心嗎？》（戳此收聽），也有詳細的說明。如果有興趣，可以點擊以上文稿鏈接看看。
3. 航航航航航幫菜、馨軻：
量子計算對我們普通百姓的生活到底有什麼看得見的影響？比如以後的密碼都沒用了怎麼辦？對區塊鏈有影響嗎？
回答：首先，我們來談談量子計算機破解密碼這件事。
現在我們常用的一種加密方法，叫做RSA加密。理論上來說，如果要破解它，需要經典計算機幾百萬年的時間，但是如果用量子計算機，幾分鐘就能破解了。
但是，我們還做不出這麼一臺量子計算機。據估算，想要真正破解RSA加密，需要一臺含有至少百萬個量子比特的量子計算機，而今天世界上最好的量子芯片，也只有53個量子比特。所以，從理論到實際應用，還有很長的路要走。
就算RSA加密體系能夠被量子算法破解了，還有其他常用的量子加密方案，我們還沒有對應的量子算法，比如比特幣所用的橢圓曲線加密算法。 所以，就算現在手頭就有一臺量子計算機，也沒法在短時間內破解比特幣。
當然了，現在沒有，並不代表以後永遠不會有。科學家們已經想到這一點了，對量子加密方案進行了研究。一旦量子計算機對現有的密碼體系構成了威脅，就可以立刻啟用量子加密技術，建立起新的平衡，確保社會秩序、國家安全不會受到侵害。
其實，除了破解密碼之外，量子計算機還有更大更重要的用武之地。比如，可以利用量子模擬來研究特效藥、提高能源效率；可以利用量子優化來幫助解決交通擁堵、提高投資收益等等。解決這些問題的核心就在於，用量子計算機可以算得更快，處理更大的數據量，這些領域有可能成為量子計算第一批實用化和商用化的突破，給我們普通人的生活帶來切實的改變。
好了，這就是本週的#邵恆幫你問#。我是邵恆，我們明天見。
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