近日，我國量子計算領域傳來重磅消息：祖沖之三號量子計算機正式問世，其在處理特定問題時展現出的運算速度，比當前全球最快的超級計算機還要快千萬億倍！這則新聞讓人驚歎之餘也不禁使人好奇什麼是量子計算機？它為何能擁有如此顛覆性的算力？
在本文中，我將試著用通俗易懂的方式簡單解析這一"未來機器"的運行原理。
“祖沖之三號”芯片示意圖。中國科大供圖
“祖沖之號”總師朱曉波介紹，研究團隊在“祖沖之二號”的基礎上，大幅提升了“祖沖之三號”的各項關鍵性能指標：量子比特數目由66個增加至105個，量子比特相干時間達到72微秒，並行單比特門保真度達到99.90%，並行兩比特門保真度達到99.62%，並行讀取保真度達到99.13%，綜合性能達到國際領先水平。
上面引用自中國科學院發佈的有關祖沖之三號的報告，這些數據和各種名詞或許讓你感到眼花繚亂，但正是這些艱澀的名詞，構成了量子計算機超凡能力的密碼。接下來，讓我們從最基礎的"量子比特"開始，逐步揭開量子計算機的神秘面紗。
（疊甲，我也只是一名04年的大學生，文章內容通過觀看相關視頻，閱讀相關文章和文獻後，在我的理解上寫出。我的理解可能不準確甚至有誤，如有問題歡迎評論區討論或指出）
量子比特 Qubit
每個人一年級都學過的計算機是採用2進制運算。在傳統計算機中，我們使用“比特（bit）”來作為最小單位，1比特只能存儲二進制的0或1。而量子計算機中，我們使用量子比特來作為最小單位，每個量子比特處於基態時表示0，處於激發態時則表示1，但除此之外，量子比特還可以以0和1的疊加態存在，即同時表示0和1。
舉個直觀的例子：當一枚硬幣放在手上時，要麼是正面朝上（代表0），要麼是反面朝上（代表1），這就是傳統比特的“二選一”。
但若將這枚硬幣拋向空中，它在空中旋轉時我們無法觀測到它是正面還是反面，在它落定前，它便處於包含兩種可能性的疊加態。就像薛定諤的貓，不打開蓋子之前我們永遠無法知道貓的死活，這正是量子比特的核心特性。
(・ω・)
不過，僅有疊加態還不足以實現計算。要讓量子比特真正發揮作用，必須通過量子門對它們進行精確操控和運算，就像傳統計算機需要邏輯電路處理比特一樣。
量子門 Quantum Gates
傳統計算機使用邏輯門進行運算，晶體管通過關閉打開來表示0或1，數個晶體管組合成不同的邏輯門，例如最基礎的“與或非”。大量的邏輯門構成了複雜的邏輯電路，而大量的邏輯電路又組成了可以處理複雜問題的芯片。
非門 與門 或門
量子計算機的運算核心是量子門，分為單量子比特門和雙量子比特門兩類：
單量子比特門可以將量子比特從 0 翻轉到 1，並允許創建疊加狀態。
雙量子比特門允許量子比特相互交互，並可用於創建量子糾纏。
你或許聽說過“量子糾纏”這個詞，量子糾纏這一現象曾被愛因斯坦稱為“遠距離的幽靈作用“：無論兩個量子間相距多遠，每個量子都會立即對另一個量子的狀態變化做出反應。正是這種特性，讓量子計算機能並行處理海量信息。
通俗點說就是，假如將10個量子比特糾纏在一起，只需要改變1個量子比特的自旋方向，其它9個也會同時做出相應改變。
正如經典算法可分解為基本邏輯門組合，量子算法也由單/雙量子門序列構成通用指令集。當這些量子門能穩定運行並擴展至大規模量子比特時，量子計算機便能解鎖處理複雜問題的顛覆性算力。
顛覆性算力
瞭解了量子計算機的基本構成，現在來說說它如何進行運算。
以4比特系統為例：在傳統計算機中，4個比特能組合的數據有2的4次方即16種：
0000 0001 0010 0011
0100 0101 0110 0111
1000 1001 1010 1011
1100 1101 1110 1111
在量子計算機中，4個量子比特在運算結束後也只能組合出2的4次方個數據（同上）。
但傳統計算機的運行模式是遍歷，即運算完一個數據後再運算下一個數據，這也就意味著在某一時間4個比特只能表示其中一個數據。
由於量子比特處於疊加態及量子糾纏的特性，量子計算機可以同時計算16種路徑，即同一時間同時表示16種數據。
我的理解是：1個量子比特在疊加態時能同時代表0或1，而2個處於疊加態的量子比特糾纏在一起時則能同時代表00 01 10 11，3個則能同時代表000 001 010 100 011 101 110 111……以此類推，每增加1個量子比特，並行處理量以指數級增加。
假如有一臺傳統計算機在處理一條數據時用時和祖沖之三號完全一致，而祖沖之三號擁有105個量子比特。那麼在理論上，同樣處理一個105比特的數據，祖沖之三號的運算效率比這臺傳統計算機的運算效率要高上驚人的2的105次方倍，約等於4.05648192 × 10的31次方，這31位數的差距，正是量子計算引發革命性變革的根源。
量子計算機的指數級算力優勢奠定了其理論潛力，但有了“硬件“後還需要”軟件“。各種基於量子計算的算法應運而生，其中1996年誕生的Grover算法，正是將量子並行特性轉化為實際效能的經典範例。
Grover算法 Grover Algorithm
Grover算法是一種量子算法，由Lov Grover在1996年提出，用於在無序數據庫中搜索特定項。
Lov Grover
例如，我們想從n個完全相同的箱子中找出一個含有特定物品的箱子，傳統計算機只能一個一個“打開箱子”去找，理想的情況下需要尋找n/2次，而最壞則需要尋找n次；依據量子特性，Grover算法僅需要計算√n（根號n）次就能使找到正確箱子的概率接近於1。
是的，量子計算機只能計算出概率，當迭代次數累計到正確答案概率接近於1時我們認為得出正確答案。
Grover算法示例
可能n/2和√n的差距沒有非常直觀，那麼現在我們假設n=1,000,000,000,000，即有1兆個箱子（中國的兆，西方1兆是100萬）。傳統計算機即使在理想狀態下也需要計算5千億次，而最壞的情況要計算1兆次。但量子計算機利用Grover算法僅需要大約785,398 次迭代便能得出正確答案。
想詳細瞭解Grover算法的可以看下這位大佬的帖子，反正我是沒看懂：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/668680267?utm_psn=1884408662346422017
Grover算法的精妙之處，恰恰折射出量子計算的本質特性——它並非替代經典計算機的超級版本。在無序搜索這類具備量子並行潛力的任務中，量子比特的疊加態能實現指數級信息壓縮，但若將其用於常規數據處理，這種優勢反而會因量子退相干和操作成本化為泡影。
當前量子計算的真正價值，僅限於為數不多的應用場景中，如模擬量子系統、機器學習、商業預測、密碼學等等領域。
這揭示了一個底層邏輯：只有當問題結構與量子態的物理規則深度共振時，才能激發出遠超經典算力的萬億倍級突破。
問題和挑戰
量子計算機的發展至今仍面臨諸多根本性挑戰，其核心癥結源於量子比特的極端脆弱性。當量子比特處於疊加態或糾纏態時，任何來自外界的擾動——無論是電磁噪聲、熱漲落還是機械振動都可能引發退相干現象，致使量子態攜帶的量子信息瞬間崩潰。這種特性使得量子芯片的物理載體雖然只有指甲蓋大小，卻必須被封裝在重達數噸的低溫恆溫器中，通過逼近絕對零度的極端環境來壓制熱力學噪聲對量子態的破壞。
Google量子計算機
這正是前面提到的中國科學院報告中強調"量子比特相干時間"與"保真度"兩大核心指標的根本原因。相干時間直接衡量量子系統維持量子態穩定的能力，而保真度則綜合反映了量子操作在環境干擾、硬件缺陷、糾錯機制不完善等多重壓力下的可靠性。
當前頂尖實驗室的相干時間仍停留在微秒量級，保真度也難以突破99.9%的關鍵閾值。這些數字背後，是科學家們在材料工程、糾錯編碼、控制系統等維度持續攻堅的科技長征。
週五下午下課回來就在蒐集資料學習了，一直弄到週日凌晨才算寫完本文主旨在簡單講述量子計算機運行原理，很多其它相關內容我並未提及。
前幾個月的Google量子芯片就聽說量子計算機能同時運算所有數據，當時我也只能用雙葉的“遇事不決，量子力學”來解釋。這次祖沖之三號問世，量子計算機再次引起了我的好奇心，於是我決定好好了解一下，便有了這篇文章。
當你看到這裡，希望那些也曾讓你感到好奇的量子浮雲，此刻已在你的腦中投出一道嶄新的光紋