近日，我国量子计算领域传来重磅消息：祖冲之三号量子计算机正式问世，其在处理特定问题时展现出的运算速度，比当前全球最快的超级计算机还要快千万亿倍！这则新闻让人惊叹之余也不禁使人好奇什么是量子计算机？它为何能拥有如此颠覆性的算力？
在本文中，我将试着用通俗易懂的方式简单解析这一"未来机器"的运行原理。
“祖冲之三号”芯片示意图。中国科大供图
“祖冲之号”总师朱晓波介绍，研究团队在“祖冲之二号”的基础上，大幅提升了“祖冲之三号”的各项关键性能指标：量子比特数目由66个增加至105个，量子比特相干时间达到72微秒，并行单比特门保真度达到99.90%，并行两比特门保真度达到99.62%，并行读取保真度达到99.13%，综合性能达到国际领先水平。
上面引用自中国科学院发布的有关祖冲之三号的报告，这些数据和各种名词或许让你感到眼花缭乱，但正是这些艰涩的名词，构成了量子计算机超凡能力的密码。接下来，让我们从最基础的"量子比特"开始，逐步揭开量子计算机的神秘面纱。
（叠甲，我也只是一名04年的大学生，文章内容通过观看相关视频，阅读相关文章和文献后，在我的理解上写出。我的理解可能不准确甚至有误，如有问题欢迎评论区讨论或指出）
量子比特 Qubit
每个人一年级都学过的计算机是采用2进制运算。在传统计算机中，我们使用“比特（bit）”来作为最小单位，1比特只能存储二进制的0或1。而量子计算机中，我们使用量子比特来作为最小单位，每个量子比特处于基态时表示0，处于激发态时则表示1，但除此之外，量子比特还可以以0和1的叠加态存在，即同时表示0和1。
举个直观的例子：当一枚硬币放在手上时，要么是正面朝上（代表0），要么是反面朝上（代表1），这就是传统比特的“二选一”。
但若将这枚硬币抛向空中，它在空中旋转时我们无法观测到它是正面还是反面，在它落定前，它便处于包含两种可能性的叠加态。就像薛定谔的猫，不打开盖子之前我们永远无法知道猫的死活，这正是量子比特的核心特性。
(・ω・)
不过，仅有叠加态还不足以实现计算。要让量子比特真正发挥作用，必须通过量子门对它们进行精确操控和运算，就像传统计算机需要逻辑电路处理比特一样。
量子门 Quantum Gates
传统计算机使用逻辑门进行运算，晶体管通过关闭打开来表示0或1，数个晶体管组合成不同的逻辑门，例如最基础的“与或非”。大量的逻辑门构成了复杂的逻辑电路，而大量的逻辑电路又组成了可以处理复杂问题的芯片。
非门 与门 或门
量子计算机的运算核心是量子门，分为单量子比特门和双量子比特门两类：
单量子比特门可以将量子比特从 0 翻转到 1，并允许创建叠加状态。
双量子比特门允许量子比特相互交互，并可用于创建量子纠缠。
你或许听说过“量子纠缠”这个词，量子纠缠这一现象曾被爱因斯坦称为“远距离的幽灵作用“：无论两个量子间相距多远，每个量子都会立即对另一个量子的状态变化做出反应。正是这种特性，让量子计算机能并行处理海量信息。
通俗点说就是，假如将10个量子比特纠缠在一起，只需要改变1个量子比特的自旋方向，其它9个也会同时做出相应改变。
正如经典算法可分解为基本逻辑门组合，量子算法也由单/双量子门序列构成通用指令集。当这些量子门能稳定运行并扩展至大规模量子比特时，量子计算机便能解锁处理复杂问题的颠覆性算力。
颠覆性算力
了解了量子计算机的基本构成，现在来说说它如何进行运算。
以4比特系统为例：在传统计算机中，4个比特能组合的数据有2的4次方即16种：
0000 0001 0010 0011
0100 0101 0110 0111
1000 1001 1010 1011
1100 1101 1110 1111
在量子计算机中，4个量子比特在运算结束后也只能组合出2的4次方个数据（同上）。
但传统计算机的运行模式是遍历，即运算完一个数据后再运算下一个数据，这也就意味着在某一时间4个比特只能表示其中一个数据。
由于量子比特处于叠加态及量子纠缠的特性，量子计算机可以同时计算16种路径，即同一时间同时表示16种数据。
我的理解是：1个量子比特在叠加态时能同时代表0或1，而2个处于叠加态的量子比特纠缠在一起时则能同时代表00 01 10 11，3个则能同时代表000 001 010 100 011 101 110 111……以此类推，每增加1个量子比特，并行处理量以指数级增加。
假如有一台传统计算机在处理一条数据时用时和祖冲之三号完全一致，而祖冲之三号拥有105个量子比特。那么在理论上，同样处理一个105比特的数据，祖冲之三号的运算效率比这台传统计算机的运算效率要高上惊人的2的105次方倍，约等于4.05648192 × 10的31次方，这31位数的差距，正是量子计算引发革命性变革的根源。
量子计算机的指数级算力优势奠定了其理论潜力，但有了“硬件“后还需要”软件“。各种基于量子计算的算法应运而生，其中1996年诞生的Grover算法，正是将量子并行特性转化为实际效能的经典范例。
Grover算法 Grover Algorithm
Grover算法是一种量子算法，由Lov Grover在1996年提出，用于在无序数据库中搜索特定项。
Lov Grover
例如，我们想从n个完全相同的箱子中找出一个含有特定物品的箱子，传统计算机只能一个一个“打开箱子”去找，理想的情况下需要寻找n/2次，而最坏则需要寻找n次；依据量子特性，Grover算法仅需要计算√n（根号n）次就能使找到正确箱子的概率接近于1。
是的，量子计算机只能计算出概率，当迭代次数累计到正确答案概率接近于1时我们认为得出正确答案。
Grover算法示例
可能n/2和√n的差距没有非常直观，那么现在我们假设n=1,000,000,000,000，即有1兆个箱子（中国的兆，西方1兆是100万）。传统计算机即使在理想状态下也需要计算5千亿次，而最坏的情况要计算1兆次。但量子计算机利用Grover算法仅需要大约785,398 次迭代便能得出正确答案。
想详细了解Grover算法的可以看下这位大佬的帖子，反正我是没看懂：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/668680267?utm_psn=1884408662346422017
Grover算法的精妙之处，恰恰折射出量子计算的本质特性——它并非替代经典计算机的超级版本。在无序搜索这类具备量子并行潜力的任务中，量子比特的叠加态能实现指数级信息压缩，但若将其用于常规数据处理，这种优势反而会因量子退相干和操作成本化为泡影。
当前量子计算的真正价值，仅限于为数不多的应用场景中，如模拟量子系统、机器学习、商业预测、密码学等等领域。
这揭示了一个底层逻辑：只有当问题结构与量子态的物理规则深度共振时，才能激发出远超经典算力的万亿倍级突破。
问题和挑战
量子计算机的发展至今仍面临诸多根本性挑战，其核心症结源于量子比特的极端脆弱性。当量子比特处于叠加态或纠缠态时，任何来自外界的扰动——无论是电磁噪声、热涨落还是机械振动都可能引发退相干现象，致使量子态携带的量子信息瞬间崩溃。这种特性使得量子芯片的物理载体虽然只有指甲盖大小，却必须被封装在重达数吨的低温恒温器中，通过逼近绝对零度的极端环境来压制热力学噪声对量子态的破坏。
Google量子计算机
这正是前面提到的中国科学院报告中强调"量子比特相干时间"与"保真度"两大核心指标的根本原因。相干时间直接衡量量子系统维持量子态稳定的能力，而保真度则综合反映了量子操作在环境干扰、硬件缺陷、纠错机制不完善等多重压力下的可靠性。
当前顶尖实验室的相干时间仍停留在微秒量级，保真度也难以突破99.9%的关键阈值。这些数字背后，是科学家们在材料工程、纠错编码、控制系统等维度持续攻坚的科技长征。
周五下午下课回来就在搜集资料学习了，一直弄到周日凌晨才算写完本文主旨在简单讲述量子计算机运行原理，很多其它相关内容我并未提及。
前几个月的Google量子芯片就听说量子计算机能同时运算所有数据，当时我也只能用双叶的“遇事不决，量子力学”来解释。这次祖冲之三号问世，量子计算机再次引起了我的好奇心，于是我决定好好了解一下，便有了这篇文章。
当你看到这里，希望那些也曾让你感到好奇的量子浮云，此刻已在你的脑中投出一道崭新的光纹