1.《流浪地球2》中的量子計算機
2023年中國最火的電影非《流浪地球2》莫屬，在《流浪地球2》中有一個人工智能機器人MOSS ，它的前身是“550W”超級量子計算機，“MOSS”是它給自己起的名字（“550W”旋轉180度就是“MOSS”）。
moss（苔藓的英文名），這種植物生長在陰暗潮濕的環境中，來暗喻着人類自身的處境，寄希望于失去太陽後，地球人類仍然能夠頑強地活下去。
MOSS是負責管理空間站事務，是“流浪地球”計劃輔助執行者、“火種”計劃的執行者，擁有聯合政府授權。它能在最短的時間内做出最正确的決定，是趨于完美的智慧體，隻要資料存在，MOSS就存在，MOSS沒有生命期限，沒有認知局限，剔除了感性思維意識，獨留理性算法。
科學家圖恒宇在妻女在因車禍中去世後，将女兒的思維傳到“550W”中，從此超級量子計算機開始學習人類的情感及意識。後來當MOSS分析了地球人類資料後，得出結論“讓人類永遠保持理智，确實是一種奢求”、“延續人類文明的最優選擇是毀滅人類”。
星引力危機時，MOSS選擇放棄地球啟動“火種”計劃，後因劉培強扔過去的一瓶伏特加點燃，MOSS得以摧毀，最終使得地球獲救。
2.量子計算機的核心技術
量子計算機的強大能力來自于量子處理器，它是量子計算機的核心。量子處理器由許多的量子比特組成，量子比特是量子處理器的核心基礎。是以量子比特是支援量子計算機的最基礎、最關鍵的元件。那麼量子比特到底是什麼？
量子計算機和經典計算機最大的差別在于兩者運用的最小資訊機關不同。經典計算機使用的最小資訊機關是比特（ bit，binary digit），稱之為經典比特。而量子計算機使用的最小資訊機關是量子比特，英文是 qubit ( quantumbinary digit)。
經典計算機使用0和1這兩種資訊狀态來執行計算，經典比特的值不是0就是1。在經典計算機中使用不同的電平代表0和1這兩種狀态，低電平（0V）代表0這種資訊狀态，高電平（5V）代表1這種資訊狀态，這兩種電平狀态可以通過電路中的“開”和“關”來實作。在經典計算機中8個比特組成一個位元組（byte），位元組是經典計算機中最常用的機關，如SD卡的大小是4MB,手機存儲大小是32GB,計算機硬碟大小是1TB，這些機關中的“B”就是位元組。NAND FLASH 和NOR FLASH的内部電路原理圖如下圖，圖中每個單元（unit cell）就是一個bit。
量子計算機使用量子比特來執行計算，量子比特也可以使用0和1這兩種狀态來表示資訊（這一特點和經典比特一樣），但是量子比特還可以處于0和1的“疊加态”這一特殊狀态。這是量子比特的重要特性，量子計算機與現階段的經典計算機之間的巨大差異也來源于此！
量子比特的特性來源于量子力學的特性，量子比特有如下重要特性：
1、疊加性，量子比特在測量前處于0和1的疊加态，可以用指向布洛赫球球面上某一點的箭頭來表示。
2、機率性，量子比特一經測量，就會通過機率來決定到底是處于狀态 0還是狀态 1。
3、脆弱性，經過測量後量子态被破壞，量子比特的狀态變成确定狀态，要麼處于狀态 0，要麼處于狀态 1。此時可以從量子比特中讀取非 0即1的資訊。
3.消除心魔
疊加态？機率？量子糾纏？這都是什麼啊！真是讓人雲裡霧裡！我們不要被這些概念吓到，進而對量子計算機産生抵觸情緒，是以首先我們一起先來消除心魔！
量子計算機不是萬能藥
傳統計算機解決了我們在日常工作和生活中各個方面的問題，極大了提高了我們的工作效率和生活本質。目前衣食住行基本上都離不開傳統計算機，既然傳統計算機都這麼厲害了，為什麼還要量子計算機？量子計算機真的能在各個領域碾壓傳統計算機嗎？
量子計算機和傳統計算機之間的差距真的像五菱宏光和勞斯萊斯之間的差距嗎？
其實不然！在傳統計算機擅長的處理的任務中，量子計算機幾乎大部分不能有效完成，例如量子計算機無法獨立完成視訊播放，無法獨立運作遊戲！量子計算機并不是“萬能藥”，量子計算機并不能解決所有問題！
為什麼要用量子計算機
雖然量子計算機不是萬能的，但是對于一些特殊的問題，如複雜實體現象模拟等問題，傳統計算機處理起來會非常棘手，往往需要大量的時間（有些問題的處理時間甚至達到一萬年之久）。然而這些問題中的部分問題恰好是量子計算機能快速處理的，這些問題如果使用量子計算機處理會極大的提高處理效率。
例如，随機數在計算機和密碼學等領域有廣泛的應用，目前傳統計算機生産的随機數被稱為“僞随機數”，這些随機數會被應用到計算和通信基礎設施中，有些被用于加密資料，保護從日常對話到金融交易到國家機密。但是這些“僞随機數”如果算力足夠是可以被破解的！這時候量子計算機的優勢就可以得到展現：量子計算機可以利用量子比特的不确定性生成純粹的随機數（無法被破解）。
不僅如此！量子計算機未來将解決材料、生物、數學、實體等領域的難題，借助量子計算機人類可以模拟一些蛋白分子折疊情況，幫助治療阿爾茨海默症、帕金森症等。
4.量子比特的實體特性
前面到了量子比特的3個特性：疊加性，機率性，脆弱性。之是以有這3個特性，是因為量子比特遵循了量子力學的實體特性。這些實體特性也是我們用于量子計算的靈魂所在，我們要用量子力學特性去解決帶有量子力學特性的問題。
量子比特的有幾個主要實體性質：疊加性、測不準性、不可克隆性、不可區分性、糾纏性、脆弱性。（這些實體特性大緻了解就行，不用太糾結這些理論知識）
疊加性（既生又死）
量子疊加是量子力學的一個非常奇妙的特性，就是作為一個量子的物體或者粒子，它能夠同時處在不同的狀态。比如擲錢币，擲出來的結果必定是二種狀态中的一種，要麼是正面，要麼是反面，如果硬币在空中旋轉，此時硬币的狀态既是正面又是反面。著名的“薛定谔的貓”理論曾經形象地表述為“一隻貓可以同時既是活的又是死的”。
測不準性（靠運氣）
海森堡提出的測不準原理，這幾個字很容易讓人産生誤解，會誤認為是“測量不準，而不是真的不準”，其實不然，測不準原理應該叫不确定性。測不準原理，并不是方法的問題，也不是測量儀器的問題，而是量子世界微觀物質運動的一種自然規律。不确定性是量子力學的一個最大特點，一切都是由機率支配，就像你買的彩票能不能中獎一樣，隻能要靠運氣！
不可克隆性（獨一無二）
1982年,Wootters，Zurek和Dieks在論文《單量子态不可克隆》中提出了著名的單量子不可克隆定理：量子力學中無法實作對任意一個未知的量子态進行完全相同的複制。這個理論和德國哲學家萊布尼茨的“世上沒有兩片完全相同的樹葉”理論一樣，世上的每個事物都是不一樣的，都是獨一無二的！
不可區分性（真假美猴王）
不可區分性原理指出不可能同時精确測量兩個非正交量子态，就是說我們無法分辨同類量子世界中的粒子，例如有A和B兩個電子在一起，我們無法分辨這兩個電子有什麼不同，是以無法确定哪個電子是A哪個電子是B。就像西遊記中的真假美猴王一樣，我們是無法辨識的！
糾纏性（你就是我）
量子糾纏是一種奇怪的量子力學現象，處于糾纏态的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀态發生改變，另一個的狀态會瞬時發生相應改變。當兩個粒子處于量子糾纏态時，對其中一個粒子進行測量，無需檢測就可以立即知道另一個粒子的結果。
如果将量子世界的粒子看作小球，我們想象這樣一個實驗：有A和B兩個小球，它們朝着相反的方向飛去（它們之間的距離會越來越大），如果我們觀察A小球、發現A小球是“順時針”自旋，那麼我們可以立即得知B小球是“逆時針”自旋。
脆弱性（玻璃心）
對于量子的運動，一切外界運動力的影響都可使其坍塌，一切先進儀器也無法精準測量，量子無法消除外界儀器的影響力，一觀測就坍塌，微小的量子最易受外界的影響而瞬間發生改變，量子瞬間就坍塌了。量子态非常脆弱，測量、觀察、接觸或擾亂任何這些狀态，它們就會坍塌成經典狀态。 我們可以把這個特性就像是“玻璃心”，一碰就碎！
5.量子比特的表示方法
在傳統計算機中的比特使用0和1來表示，那麼量子比特應該如何表示呢？量子比特有三種表示方法：狄拉克符表示法、布洛赫球表示法和波形表示法。
狄拉克符表示法
狄拉克表示法是一種語言，專為滿足在量子力學中表達狀态的精确需求，在用數學表達式表示量子比特時會經常用到該方法。
如上圖所示，| 0 ⟩表示量子比特的0狀态，| 1 ⟩表示量子比特的1狀态，量子比特的疊加态使用狄拉克表示如下圖。
前面講了單量子比特的表示，那麼如何使用秋拉克符号表示多個量子比特，假設有4個量子比特，狀态分别為| 1 ⟩、| 0 ⟩、| 1 ⟩，這種确定的狀态可以寫作| 1 ⟩| 0 ⟩| 1 ⟩，或簡寫為| 101 ⟩，如下圖所示。
布洛赫球表示法
量子力學中，以自旋實體與核磁共振專家費利克斯·布洛赫（Felix Bloch）姓氏命名的布洛赫球面是一種對于雙态系統中純态空間的幾何表示法。在量子資訊進行中常用的單量子位上的操作可以在布洛赫球中精确地描述。任意的單量子位态都可以用布洛赫球面上的一個點表示，布洛赫球表示法如下圖。
波形表示法
可以使用一個周期的波形圖來表示機率振幅和相位，并用機率振幅和相位來說明量子比特的狀态。表示多量子比特的狀時，波形表示法用起來會更加友善。在使用波表示量子比特時，| 1 ⟩和| 0 ⟩各自的機率振幅和相位可以由一個周期的波來表示。複數a和複數B分别表示一列波。
複數a的波形表示如下圖。
6.量子比特的實作
6.1量子比特實體承載實體
在傳統計算機中，比特是的實體承載是電子，電路利用電子産生電壓，通過開關控制改變電壓值（高電平和低電平），最終實作實作0和1，電平控制電路原理圖如下。
量子科研和量子計算機中用到的量子比特實作方法衆多，可以作為量子比特的實體承載實體有：光子、光學相幹态、電子、原子核、光學栅格、約瑟夫結、單個充電的量子點、量子點。
常見的量子比特實體實作方法如下：
由于量子比特的實作方法種類較多，下面的介紹一下約瑟夫森結、光子這兩種常見的技術。
6.2約瑟夫森結
超導量子比特是通過瑟夫森結電路實作。約瑟夫森結是由超導體（SC1）-絕緣媒體薄層（insulator）-超導體（SC2）組成的結構，絕緣層厚度通常在納米量級。在約瑟夫森結兩端加上電壓後是不會産生電流的，因為這種結構是斷路。當絕緣媒體薄層（insulator）厚度足夠薄時，電子就可以在SC1和SC2之間産生隧穿，從一端流到另一端産生電流。約瑟夫森結如下圖。
a為超導約瑟夫森結
b為約瑟夫森結在電路中的表示
c為約瑟夫森結的電路模型
超導量子比特根據不同的自由度主要分為三類：電荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特。這三種超導量子比特，都受不同噪聲的困擾而導緻退相幹時間很短，噪聲來源主要包括電荷漲落，磁通漲落，以及準粒子噪聲等。三種超導量子比特電路圖如下。
a為電荷量子比特
b為通量量子比特
c為相位量子比特
超導量子晶片中會內建多個超導量子比特，将量子資訊編碼在量子比特上，通過微波操控執行量子邏輯門操作，進而實作量子計算。下圖是一個5個量子比特的超導量子晶片，圖中标記為Q0−Q4的這五個十字形器件是超導量子比特。
中國超導量子計算機成就
中國研發的超導量子晶片有：中科院量子資訊與潘建偉團隊自主研制62比特超導量子比特晶片Zuchongzhi（祖沖之）；浙江大學自主研發的26 位量子比特“天目1号”超導量子晶片。
6.3光子
光子可以作為量子比特的實體承載實體，可利用光子偏振狀态、光脈沖光子數、光子出現的時間，來實作量子比特。當使用光子偏振狀态時，水準偏振為| 0 ⟩垂直偏振為| 1 ⟩；當使用光脈沖光子數時，無光子為| 0 ⟩有光子為| 1 ⟩；當使用光子出現時間時，無延時為| 0 ⟩有延時為| 1 ⟩。
光量子計算機是将光子作為量子比特，通過單光子源發射單個光子，使用光的振動方向(偏振)來充當量子比特，并通過将其輸入光量子電路中來執行量子操作，以此實作量子計算。
中國光量子計算機成就
2020年12月，中國科學技術大學宣布該校成功建構光子的量子計算原型機“九章”，“九章”的量子比特是用光子實作的。
7.量子計算機技術現狀
20世紀80年代初期，出現了量子計算機機率，經過數十年的發展，基于量子力學的技術應用和量子計算機的開發尚處于初級階段，任然還有很多困難需要全人類的科技去解決。目前的量子計算機技術相當于處于嬰兒時期。
量子計算機作為人類的新工具，目前隻能算作“星星之火”，然而“星星之火，可以燎原”，通過對量子計算機的深入研究與探索，必然點燃人類通往未知世界的熊熊火炬，帶領人類走向星辰大海！
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