量子计算是未来的趋势，因为它比目前的传统计算机快很多，到底快多少呢？我们就拿世界上最快的超级计算机 Summit 作比较吧，这台庞大的机器由 27648 个NVIDIA Volta GPU 提供支持，性能达到每秒 3 exaop（即三百亿亿次计算），三百亿亿噢，是不是超级快了呢？但是，近期 Google 的量子计算已经完成了一项高难度的计算任务，这个任务用 Summit 就算是一万年也不可能完成，而 Google 的量子计算只用了几分钟就搞定了。况且，完成这个计算任务的量子计算机只有 53 个量子位。
量子位 (Qubits) 是量子计算机中的最小单元，就像我们传统计算机中的比特位 (bit) 一样。一个比特位可以存储的信息，只有两种，要么是 0，要么是 1，量子位不太一样，它除了 0 和 1 之外，还有带方向和旋转等信息，而且它的值不是确定的，是有一定的概率，例如在某个时刻测量某个量子的值，它可能有 70% 的概率值为 1，30% 的概率是 0。
例如上图就是顺时针旋转的量子位，表示值 0。在量子计算中也存在 NOT 操作，比特的 NOT 操作比较简单，NOT 0=1，NOT 1=0，直接取反就是了，但是因为量子具有概率、旋转方向等特性，它的 NOT 操作就没那么简单，而且是有点违背直觉的，这里没办法讲清楚原理，只能记住结论，像背公式那样。
结论就是，对于 0 量子位，NOT 操作的结果是 50% 概率变成 0(旋转方向相同)，50% 概率变成 1(旋转方向相同)；对于 1 量子位，NOT 操作的结果是 50% 概率变成 0(旋转方向相同)，50% 概率变成 1(旋转方向相反)。注意最后一个，NOT 1 操作是有一半的概率变成反方向的 1 的。
根据上面的定律，假如我们对一个 0 Qubits 进行两次 NOT 操作，那么可能出现的情况如下图：
在第二次 NOT 操作之后，有 1 正方向和 1 反方向情况同时出现，而且概率相同，所以两者互相抵消，最后只剩下 0 的可能性。所以，对 0 Qubits 进行两次 NOT 操作，最终结果必然是 0！这又意味着什么呢？假如现在你在跟计算机玩一个抛硬币的游戏，从国徽面开始，每次抛硬币随机一半概率变成金额面和国徽面，如果你抛两次，那么传统计算机的最终结果，会是一半概率变成国徽面，一半概率变成金额面，假如你下注金额面，那么你赢过电脑的概率是 50% 的，可以打个平手。现在换成跟量子计算机玩同样的游戏，这时你就惨了，因为上面讲了，两次 NOT 操作量子计算是 100% 回到原来那个值的，所以不管进行多少轮游戏，两次抛硬币之后量子计算机始终会回到国徽面，你下注金额面必输无疑。
这里还只是提到了一个量子位的一个操作，如果把多个量子结合起来，再加上多种不同运算操作，就更加复杂了。我暂时还没完全理解多个量子位操作原理，所以暂时不写了。
最后提一下为什么量子计算对我们非常重要。目前全世界的计算机系统，从银行密码加密，到你手机里面数据存储、网络传输，再到新兴的区块链技术，底层的加密原理基本上都依赖于一个数学上的事实，那就是一个非常大的数字质数分解非常困难，举例来说，将 593 乘以 829 得到 491597 很容易，但是想要算出 491597 是由哪两个质数相乘得到则非常困难，区块链底层安全机制也是基于目前单台计算机 (包括超级计算机) 的算力在很长时间内无法进行此类算法的破解。但是如果有一天大型的量子计算机得以实现，那么世界上所有系统都变得透明，整个信息世界面临崩塌。所以在这之前，我们需要想出另外一些加密办法，来防止被量子计算破解。
以子之矛，攻子之盾。没错，量子计算可以用来进行快速的破解工作，但同时我们也可以利用它的某些特性，用来加密信息防止破译。其中一个量子特性就是量子纠缠，让爱因斯坦胆颤的量子超距作用。量子纠缠的原理就是，两个处于纠缠状态的量子，把它们分开无论放得有多远，例如一个放地球，另一个放 100 光年之外的星球，一旦其中一个量子的旋转状态变化，另一个也会立马变化，例如地球上的量子处于左旋另一个就右旋，如果我们想要通知 100 光年以外的伙伴，那么就把地球上这个量子变成右旋，另一个立马就会变成左旋，信息瞬间传达过去，没有任何传输过程，所以也谈不上消息被其他外星人拦截和破译。如果不是量子技术，通过现有的传统光学传输，那么最少也要 100 年才能把信息送达，而且还有可能被截取和修改。
所以量子通信是一个前景非常明朗的应用方向，我们中国政府也非常重视这一块的发展，已经发射了一颗量子卫星 “墨子”，并且做这一块的公司 “国盾量子” 也已经上市，大家有兴趣可以多了解。
参考：