量子计算机有什么实际的应用意义?

“量子计算机里的量子比特有多重编码可能性,可以处理传统计算机无法处理的问题。”这句话怎么理解? 难道量子计算机里不是用0和1编码的吗?这里的“无法处理的问题”指的是哪些? 如果得到了普及,量子计算机对于传统计算可以有哪些实际的改善呢?
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鄙人见识浅薄,还请诸位大神指正。

量子有一种很神奇的特性,也就是量子的叠加态。一个粒子,在我们观测之前,它处于又左旋又右旋的状态。但是我们观测以后,我们只能得到要么左旋,要么右旋的结果。换句话说,在观测的一瞬间,它「塌缩」了。

对于量子处于叠加态的证明,可以搜索一下托马斯·杨的「双缝干涉实验」中,观测手段影响光的波粒二象性的表现,以及「延迟决定实验」中,在一切结束后再对过程进行决定的实验。可以说,量子论打破了经典物理学中的决定论和定域性,实际上,不存在一个确定的「历史」,而取决于我们观察的方式。同时,不同的观测方式甚至可以导致不同的历史。

把它放到量子计算机上,这意味着几个好处。

第一,是指数级增长的计算能力。经典计算机中,一个经典比特只能存储一位信息,要么是 1 ,要么是 0 。但是在量子计算机中,这个比特可能是 0 ,也可以是 1 ,关键是它们同时参与了计算,而只在你观测时,才会塌缩成一个完全确定的解答。假如是 10 经典比特,那么相当于 10 位数据参与运算。而 10 量子比特,就是 2^10 ,也就是 1024 位数据参与了运算,这是多么巨大的差距。

第二,假设现在你的手放在键盘上,准备进行 Google 搜索。不可思议的地方在于,甚至在你想好要搜什么之前,量子计算机就可以完成计算!乍看起来这样非常不合常理,但是实际上,在你打字时,后台就可以开始进行计算。这个计算可能是各种搜索关键字的叠加态,而在你打好字按下回车时,这个叠加态一瞬间塌缩为你要的关键字,你的搜索早已运算完毕了。

第三,我们现在计算机的主要热量,来源于我们对存储器的不断读写和重置。假设我们的存储器内有 0 和 1 组成的杂乱无章的数据,现在我们全部清零。这一刻,我们的存储器显然变得更加「有序」,即无序程度「熵」的降低,而根据热力学定律,这些熵就以热量的形式散发出去。因为微观粒子的幺正性,量子的运算是一种完全可逆计算,信息不会丢失而得到重用,几乎不会有热量的散失。

所以说,届时在一块手表上实现超越一切经典计算机的算力,并且超低功耗和热量,的确不是不可能的。我们可以期待通用量子计算机普及的时候,人类文明会迎来多大的飞跃。