今年9月，中共中央政治局就量子科技舉行了集體學習，習總書記強調要加強量子科技發展的戰略布局，要“下好先手棋”。
問世100多年來，量子力學已先后孕育出了原子彈、激光、核磁共振等技術，成為20世紀最重要的科學發現之一；進入21世紀，量子科技革命第二次浪潮來臨，正在催生量子計算、量子通信和量子測量等技術，改變和提升了人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。
由于量子科技應用面廣，因此各國紛紛加大研發的力度和資金的投入。目前，美國預計十年內將撥款近13億美元，全力推動量子科學的發展。
隨著量子力學百余年的發展，已能夠解決傳統（我們目前正在使用的）計算機無法解決的復雜難題，比如，其計算能力隨著可操縱的量子比特數呈指數增長，利用萬億次傳統計算機分解300位的大數需要15萬年，而利用萬億次量子計算機只需1秒。
12月4日，國際學術期刊《科學》刊登的一篇論文提及，潘建偉教授研究團隊與中科院等科研機構合作，成功研制出名為“九章”的光量子計算原型機。在特定算法上的效率比現有計算機快了一億倍，在處理特定問題的速度上更比去年公布的谷歌53比特量子計算機懸鈴木（Sycamore），快了近100億倍！它能輕易破譯所有密碼，迫使一切現有密碼學重新改寫。此外，與傳統通訊相比較，量子通信能確保絕對安全。
上述的幾個數字大到令人眼花繚亂，為此，我試著用最淺顯的語言來介紹一下量子計算和量子通信。
首先，讓我先從傳統計算機談起。
傳統計算機的最小信息單位是“比特（bit）”，一個比特上的信息要么是0，要么是1。無論是早期計算機的電子管開關，還是現代計算機的晶體管電壓高低，都是用物理的方法來描寫0和1這兩個狀態；而把0和1的開關操作連接在一起，就成了一個邏輯門；再把無數個邏輯門一層一層地連接搭建，便成了計算機的運算核心和控制核心，即計算機的大腦——中央處理器（Central Processing Unit，簡稱CPU）。
那什么是量子計算呢？簡而言之，就是利用“量子疊加態”來做計算。而量子計算的最小信息單位叫做“量子比特”（quantum bit，簡稱qubit或Q比特），雖然和傳統計算機一樣，量子計算機也是使用0和1，但有所不同的是，量子計算能同時計算0和1。
也就是說，在傳統計算機里，一個比特在同一時間不是0就是1，只存在一種狀態；但量子比特可以既是1又是0，兩種狀態同時存在。再說得詳細一些，一個量子比特在同一時間里，可以是0，也可以是1，更可以既是0又是1：它能同時處于0和1的量子疊加態。這種獨有的特性就叫量子疊加，即比特經典狀態的疊加態，也就是我在之前的專欄文章中提到的“薛定諤的貓”——處于既死又活的疊加態之中。
舉一個小燈泡為例，在正常情況下的任何時刻，它只能有一種狀態：要么亮，要么不亮。而如果這個小燈泡處于“量子疊加態”的話，它便會呈現出又亮又不亮的狀態。盡管很難理解，但量子比特就是處于這樣的又0又1的狀態中。
那么，這在計算時最大的好處是什么呢？
比如，我們考慮三個比特，它們的狀態可以是 000、001、010、011、100、101、110、111，一共8種，每三個傳統比特可以代表0到7這8個數之中的一個。比如說（二進制的）011 =（十進制的）3，如果你想把八個數都寫下來的話，需要3×8=24個比特。但是，如果使用量子比特的話，只需要三個數便可以代表從0 到7這八個數的每一個數字了。
這就是量子計算最根本的優勢，3個量子比特就可以代表8個數，依此類推，N個量子比特就可以代表2N-1個數。千萬別以為這沒什么了不起，這是不可想象的力量！因為，要用上幾百個量子比特，就能表示比宇宙中所有原子還要多的數！
傳統計算是把這些數一個一個地算，而量子計算則是把這些數一起來運算。比如你有0到32767（215-1）個東西要做同一種計算，在傳統的計算機中，需要至少15個比特才能代表其中一個數，在理論上要對15個比特做32768次同樣的操作；而如果你有15個量子比特的話，那你就只需要對它們操作一次即可！
開始感覺到量子計算的巨大不同了吧，下文再接著詳談。（上）
（作者系加拿大某國際財團風險管理資深顧問，科幻作家）
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