编者按：谷歌宣称已经实现“量子霸权”，IBM微软也在开发量子计算机，可以说量子计算慢慢的变成了当下炙手可热的前沿技术！到底什么是量子计算，介绍与说明很多，今天这篇文章只有2000字，但它简要介绍了量子计算机，想科普一下的同学可以读读。本文编译自medium原题为“Quantum Computing:An Introduction for Programmers”的文章。
解决复杂问题时，量子计算机并不比人强多少。量子计算机将复杂任务分解成许多简单任务，与人类相比，计算机处理简单任务时快很多，这就是计算机的优势所在。但经典计算机存在限制：任务必须按顺序出现。正因如此，如果任务太复杂，或者数据库太大，想找到解决方案就会耗费很长时间。许多时候问题太庞大，从数学层面看，即使是最强大的超级电脑也没有很好的方法突破序列任务设定的障碍，但量子计算机可以，因为它有一些有趣的特征：叠加、纠缠和干涉。
如何工作的
为了解释这种现象，我们回退一步。当计算机将复杂任务分解成简单小任务时，最简单的任务是什么？就是在两个选项之间选择，比如在A或者B、真或者假、头或者尾之间选择，这些都是二元问题。在计算机中，二进制代码（用1或者0代表）可以转化为计算机电路开关中的“开或者关”。虽然二进制解决方案（信息比特）能以惊人的速度交流信息，但读取时必须一个接一个读取。量子计算机的效率高很多。与比特等价的是量子比特，从本质上讲它相当于一个可以承载可测量信息的粒子。
比特必须以一种二元状态或者另一种状态存在，但量子比特可以以量子态（叠加）存在，它可以在同一时间以两种状态存在。量子力学从很大程度上说就是概率游戏，量子比特变成状态A或者B的概率可能是50/50，也可能是70/30、10/90或者其它比例。你可以这样想像：量子比特的位置位于AB之间，或者位于球面的某个位置，球的一端是A状态，另一端是B状态。不论怎样，因为量子有叠加特点，所以它可以同时在多个位置出现。为了找到问题的解决方案，量子比特一次可以沿多条路径前进，但比特一次只能选一条。
迪杰斯特拉算法(Dijkstra)可以帮我们找到抵达目的地效率最高的路径，量子比特没有必要一条一条路探索（经典计算机正是这样做的），它可以同时分析多条路径，以更快的速度找到最棒的路径。当问题越复杂，输入信息越庞大，经典计算机寻找路径的时间就会越长。量子计算不一样，它的效率高很多。
想挖掘量子叠加的优势，时间很关键，因为量子比特与测量设备接触时叠加特性会受一定的影响。我们管这种物理法则叫作“观测者效应”。粒子虽然会同时表现出粒子和波的特点，但是当我们观测时只能记录其中一种。到底记录到其中的哪一种取决于观测。所以说，当我们想探知量子比特携带怎样的信息时，就会面临这样的障碍。
我们大家可以利用量子力学的第二个特点来克服 “观测者效应”，这个特点就是“纠缠”（entanglement）。物理家已经证实“纠缠”的存在，也就是两个粒子不管相隔多远，都能联系在一起。现在我们大家可以操纵几十个量子比特，让它们变成单一的纠缠状态，这样我们就能建立一个网络，它有2的n次方种可能性（n就是网络中量子比特的数量），它们可以协同工作。
如果量子比特携带相同的信息，如何处理？那就要谈谈量子干涉了，粒子具有波的特点，干涉是波的特征之一。当波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇，彼此互补，效果就会放大，这就是相长干涉。如果波峰与波谷相遇，就会抵消，这就是相消干涉。当超过一个量子比特处于相长干涉状态，它们的效果就会放大，这样就可以传输信息了。
现在已经走到了哪一步
要想让量子网络真正发挥潜能，还有一些障碍要跨越。虽然与经典计算机相比量子计算机处理问题的速度更快（也就是所谓的量子优势），但是即使是当今最大、最稳定的量子系统，在商业上还是没有实用价值。
实际上，往纠缠系统中添加量子比特是一件非常难的事，因为网络非常脆弱。1998年，IBM、牛津、加州伯克利大学、斯坦福、MIT成功将一对量子比特组合。20年后，谷歌刷新纪录，将量子比特数量增加到72个。
虽然纠缠能从某些特定的程度上解决“观察者效应”这一问题，但是量子状态还是容易被破坏，而且量子特征的持续时间也很有限。量子系统必须在退出叠加状态、进入退相干状态之前找到解决方案，否则就会失败。
外部因素也会导致量子比特退出叠加状态，虽然我们大家可以增加量子比特的数量，但是量子比特越多，越容易受到外部因素的影响。现在行业一般会用激光器、磁场、超导体创建一个环境，延长量子状态的寿命（寿命一般用毫秒来计算），这样能降低“出错率”。
当出错率下降，观测系统也许能取得突破，我们大家可以根据观测开发更棒的量子算法。一些行业玩家已经允许客户通过云进入量子计算网络，这样就能让研发变得更容易。
一旦我们大家可以建立足够庞大、足够稳定的量子比特网各，一旦出错率降得足够低，量子计算机解决经典问题时速度会更快，不只如此，它还可以解决经典计算机解决不了的问题。
到了这一阶段就能实现“量子霸权”。也有人认为“量子霸权”不可能实现，因为受到了物理原则和理论的限制，量子计算不可能走到这一步。
有何可能性？
一旦“量子霸权”真正实现，量子计算可以在许多科研领域派上用场，用来解决复杂问题。在复杂而庞大的数据库上查询时，它的处理速度更快；到时机器学习将会突飞猛进；我们大家可以模拟更加复杂的分子结构，了解它们的行为，这样就可以在医学领域取得更多突破。
有了强大的模拟能力，对工业和科技产业也是好事。不过量子计算机无法取代经典计算机，它要与现代机器结合起来用。有了量子计算机，一些领域将会迎来变革。
当AI、机器学习与量子计算结合，也许会有很大的突破。网络安全行业也会拥抱量子技术，因为即使是今天最棒的经典加密技术，在量子系统面前也不堪一击。
译者：小兵手
