不久前，国际商业机器公司IBM(IBM)推出了一台53位量子计算机，并计划向外部用户开放。另一方面，谷歌成功地使量子系统能够完成传统超级计算机在大约200秒钟内需要一万年才能完成的任务。量子计算机的发展引起了越来越多的关注。

与主宰宏观世界的经典力学不同，微观世界遵循量子力学原理。微观粒子中有一些有趣的现象，第一种是叠加态。在宏观世界中，一个物体在某一时刻只能处于一种状态，例如，一个人一次只能在一个地方。但在微观世界中，粒子可以同时处于两个不同的状态，就像一个人同时在北京和巴黎一样。这种叠加状态在宏观世界中是不可想象的，但在微观世界中，科学家们反复观察到同一粒子处于两种非常不同的状态的现象。更有趣的是，如果粒子被作用，它将同时对两个州产生影响，例如当发出举起手命令时，北京的男子将举起手，而在巴黎，他将举起手。

第二种是观察和测量。在微观世界中，每种测量的结果可能是不同的，也就是说，结果是不确定的。更麻烦的是，观测对象的状态在测量后发生变化。

第三种是量子纠缠，一种发生在两个或多个物体上的特殊状态，其中多个物体彼此不可分离，其中一个改变另一个。例如，在微观叠加状态下，一群人在北京和巴黎相遇，其中一个人在北京，那么每个人都在北京；如果被测量的人在巴黎，那么每个人都在巴黎。在微观世界中，物质的本质与人们日常生活的直觉是完全不同的。这些在微观世界中的新现象已经多次被精确的实验所证实。

让我们继续看一看计算结果。计算可以理解为有输入和指定的输出，中间环节是计算过程。不同的计算问题是困难的，例如，将两个数字相乘并不困难。反过来，将大量数字分解成两个数字的难度也大大增加。人们所能想到的大数分解算法具有很高的复杂性，因此人们认为大数分解的计算问题在本质上是非常困难的。计算困难已经成为现代密码学的基础，广泛应用于互联网和电子商务等领域。1994年，贝尔实验室的科学家Schor发现，量子计算机的使用可以使大量的数字迅速分解。量子计算机很快就能解出经典计算机很长一段时间都找不到的数字。数量越长，这种优势就越明显。这将对现有的密码学产生重大影响。

许多量子算法已经开发出来。一般情况下，量子算法利用叠加态带来的自然并行计算能力，利用不同路径可以协同工作的优点，同时克服了量子计算的旋转变换、不确定性和测量破坏等困难。应该指出的是，量子计算在某些计算问题上没有优势，或者其优势非常有限。因此，哪些计算问题具有优势，有多少优势，如何利用这一优势是量子计算的根本问题。

量子计算被认为是加速人类计算能力的重要入口。量子算法在数论、线性代数、组合优化、量子系统模拟、化学等方面显示出越来越多的优势。另一方面，量子算法需要运行在量子计算机上。在过去的20年里，量子计算机在许多方面都取得了稳步的进展。量子科学理论和软硬件的这些突破将给云计算、人工智能、药物、材料研究和开发等关键领域带来颠覆性的创新。例如，更快的人工智能算法，以及更快的云计算，可以加速药物分子的开发和新材料的设计。量子计算将极大地改变人类理解自然的方式，特别是微观世界，并产生深远的影响。

(作者是腾讯量子实验室主任)