问题是

计算机发展的瓶颈主要有两个。

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首先，随着晶体管体积不断缩小，计算机可容纳的元器件数量越来越多，产生的热量也随之增多。

其次，随着元器件体积变小，电子会穿过元器件，发生量子隧穿效应，这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

什么是隧穿效应？

丁洪打了一个比方。

就像穿墙术一样。

在宏观世界，跳高运动员如遇到障碍，可以自己跳过去。

但在量子世界，不需要这么高超的技巧。

遇到障碍，可以穿过去。

只不过，物质本身要足够小，障碍要足够薄。

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解决方法

量子计算机的出现，巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。

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丁洪说，从原理来看，

量子计算机是可逆计算机，不会丢失信息。

经典计算机则是不可逆计算机，

不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。

“但量子计算机不会取代经典计算机。”

丁洪说，两者的应用对象不同，互为补充，它们的关系就像白炽灯和激光一样。

白炽灯和激光都能发光，具有相关性，

但我们并不用激光替代白炽灯去照明，

量子计算机也是如此的。

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背景知识

为什么量子这么厉害

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颠覆常识的量子世界

量子物理看似高冷，却早已走进我们的生活，

像手机、计算机、LED等都用到了量子物理相关技术。

“原子、光子、电子都是量子。”

丁洪说，量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者。

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量子叠加和量子纠缠是量子物理区别于经典物理的地方。

什么是量子叠加？

丁洪举了个例子，在经典物理中，从宏观角度来看，任何物质的“态”都是确定的。

比如，将一本书放在桌子上，不是正面就是反面。

在量子世界中，书却可以是正面的也可以是反面的，成为一个不确定的叠加态。

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同样，电子自旋也有叠加态。

电子的自旋，方向可能是向上，也可能是向下。

它的叠加态就是一半向上一半向下，是不确定的。

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过去，人们一直没发现其中的问题，直到提出“薛定谔的猫”这一实验。

薛定谔提出设计一个实验，在笼子里放一只猫，里面放置一个毒气瓶。

装置里有一个开关，用电子的自旋状态去控制。

如果它自旋向上就会将开关打开，放出毒气毒死猫；

如果自旋向下，猫就是安全的。

那么问题来了，如果电子处于叠加态，猫是死是活？

答案是：猫一半是活的，一半是死的。

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量子纠缠则更为玄妙。

两个纠缠的粒子，不管距离多远，对其中一个粒子进行观测，就会即时影响到其它粒子。

“量子纠缠就像在量子世界打了一个虫洞。”

说到如何理解量子纠缠，

丁洪用电影《星际穿越》中的虫洞打了个比方。

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背景知识

什么是虫洞？

虫洞（Wormhole）又称爱因斯坦－罗森桥，是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫

洞是1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的，认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。

由阿尔伯特·爱因斯坦提出该理论。

简单地说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。

暗物质维持着虫洞出口的敞开。

虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。

虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，所以也叫"灰道"。

虫洞是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。

虫洞是1916年奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出的概念，

1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设，认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。

迄今为止，科学家们还没有观察到虫洞存在的证据，一般认为这是由于很难和黑洞相区别。

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拥有指数级计算能力

中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。

量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。

考虑一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N个可能数据当中的某一个；

若它是量子存储器，则它可同时存储2N个数据。

而且随着N的增加，其存储信息的能力将呈指数级上升。

关于指数级增长的威力，丁洪讲了一个故事。

在古代印度，一位老人带着他发明的国际象棋去见国王。

国王非常高兴，决定赏赐他东西。老人却表示，国王无法满足自己的要求。

老人的愿望是什么？

在棋盘的第一格上放1粒小麦，第二格上放2粒小麦，第三格上放4粒，第四格上放8粒……一直到第六十四格为止。

结果却发现，这是个天文数字。

为了开发量子计算机强大的并行计算能力，上世纪90年代科学家们提出了无序数据库搜索和大数因子分解两种算法。

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发展势头迅猛

量子计算不仅可应用于人工智能领域，提升机器学习效率，还能应对复杂情况，如实现天气的精准预测。

生活中的诸多不便如交通拥堵，也能依靠其算法解决。

“（量子计算）发展非常迅速。”丁洪说，以前普遍认为量子计算机是三、五十年之后才能出现的。

按照现在的发展速度，可能三五年后就会出现。

目前谷歌、微软、英特尔、IBM、阿里巴巴等国际巨头都积极参与到量子计算机的研究中。

2017年12月13日，IBM宣布将与三星、摩根大通和巴克莱银行等12家主要公司合作，共同开发商用量子计算。

为加速进入量子计算机阵营，各国政府也是“不惜血本”。

2013年到2015年的财政预算显示，

欧盟在该领域的投入达48亿元，

美国投入31.5亿元用于量子计算机的研发，

我国也投入19亿元推进量子领域的发展。

目前我国正在筹建量子信息科学国家实验室，一期建设用地810亩，一期总投资70亿元。