从零到量子

叠加

在量子水平上，物理系统可以同时以多种状态存在。在系统被观察或测量之前，系统会同时占据所有位置。量子力学的这一核心原理能让量子计算机利用系统的可能性，而所有可能的结果同时存在于计算之中。在量子计算的情况下，被使用的系统可以是光子、被捕获的离子、原子或准粒子。

干扰

量子态可以干扰其他量子态。干扰可以采取消去振幅或提高振幅的形式。一种将干扰可视化的方法是想象同时将两块石头扔到水中。当每块石头形成的波浪穿越传播路径时，就会在涟漪中形成更强的波峰和波谷。这些干扰模式能让量子计算机运行与经典计算机完全不同的算法。

纠缠

在量子水平上，粒子等系统相互关联，即使距离很远也能反映彼此的行为。通过测量一个纠缠系统的状态，量子计算机可以“知道”另一个系统的状态。例如，在实际应用中，量子计算机可以通过测量电子A的自旋来了解电子B的自旋运动，即使电子B在数百万英里之外。

量子比特

在经典计算中，计算是由被称为比特的二进制文件组合而成的。这是经典计算局限性的基础：计算是用一种在任何给定时间只能有两种状态之一（0或1）的语言编写的。在量子计算中，计算是用量子态的语言编写的，量子态可以是0或1，也可以是叠加的0或1的任何比例。这种类型的计算信息被称为“量子计算机比特”或量子比特。

量子比特具有能让信息在系统内实现指数级增长的特性。在多个状态同时运行的情况下，量子比特可以编码大量信息——远远超过经典比特。因此，很难夸大量子的计算能力。经过组合的量子比特的计算能力增长速度比经典计算快得多，而且由于量子比特不像处理芯片那样占用物理空间，因此通过一些测量，更容易获得无限的计算能力。

量子计算机的类型

对量子计算的理解依赖于对决定量子运动行为、位置和关系的原理的理解。

无论是什么类型，量子计算硬件都与和超级计算相关的服务器场有非常大的差异。量子计算需要将粒子置于某些环境，在这些环境中粒子可以被测量但不会被周边粒子改变或破坏。在大多数情况下，这意味着将计算机本身冷却到接近绝对零度，并使用金层保护量子比特粒子免受噪音的影响。由于当前的量子计算机需要如此精细和精确的条件，因此必须在高度专业化的环境中来制造它们。

如今，数字加密的一种主要形式是RSA（Rivest-Shamir-Adleman），通常被称为公钥加密。Rivest、Shamir和Adleman于1977年首次描述RSA算法，甚至几十年后，它仍然是一个极为强大的、经过验证的加密系统。

RSA基于两个数字密钥，这两个密钥相结合，形成一个大素数。经典计算机可以很容易地将两个已知数字相乘来计算一个素数，但其反向计算对于经典计算机来说是个难题。经典计算机很难使用暴力二进制计算从素数中推导出两个因数。简言之，当前的RSA算法本质上是牢不可破的密码，因为即使是最强大的超级计算机也无法在任何合理的时间内计算密钥的值。最快的超级计算机大约需要300万亿年才能破解现有的2048位RSA加密。

而这就是量子计算会产生威胁的地方。由于量子计算机可以在不追踪线性路径的情况下同时分析所有可能性，因此它们可以有效地“跳过”经典计算机的一次一路径的方法，并在合理的时间内得出准确的计算结果。量子计算机完美地将大素数划分为正确的因数，有效地破解了RSA。对未来的量子计算的预测表明，RSA加密可以在几个月内破解，而且更先进的量子计算机可能会在几小时甚至几分钟内破解RSA。

量子计算

量子计算领域被误用最多的术语可能是“后量子计算”，缩写是“PQC”。这个术语造成了混淆，因为它与“后量子加密”的缩写是一样的。然而，“后量子计算”并不存在于量子计算机科学领域。量子计算机是机器的全称，而量子计算描述了场和过程。即使在先进的、实用的机器面世很久之后，它们仍然是量子计算机，而不是后量子计算机。

量子加密

量子加密与后量子加密在量子力学中有着共同的基础，但量子计算与PQC采用的加密技术不一样。在量子加密中，不可预测性的基本性质用于加密和解密数据，而信息直接编码在量子比特中。目前，最常见的量子加密版本使用量子比特的属性来保护数据，如果有人试图在未经许可的情况下解密信息，就会产生量子比特错误。这种形式的量子加密更像是门或窗户上的警报传感器。未经授权的访问会引发警报。

后量子加密（PQC）

后量子加密对数学方程进行运算，就像经典计算加密一样。不同之处在于方程的复杂性。在PQC中，数学利用量子特性来创建难以求解的方程，即使是量子计算机也无法“跳”到正确的解。PQC的优势之一是它以高度不可解的方程为基础。由于它与现有的经典加密的基本结构相同，因此可以使用与目前最先进的加密类似的方法进行部署，并且可以保护现有的许多系统。