量子计算：导论Quantum Computing: A Concise Introduction

Quantum Computing: A Concise Introduction

量子计算：导论

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定义

量子计算是一种新兴的计算技术领域，它利用量子力学原理——包括叠加、纠缠和量子隧穿效应——以一种根本性新颖的方式来处理信息。经典计算机使用比特（bit）作为信息的基本单位，其状态只能是 0 或 1；而量子计算机则使用量子比特（quantum bit），简称“量子位”或“qubit”。与经典比特不同，一个量子比特可同时处于逻辑状态 0 和 1 的叠加态之中。这一特性使得基于量子的系统在执行某些复杂计算任务时，速度远超经典计算系统。量子计算在多个领域具有巨大变革潜力，有望推动量子密码学、信息检索、优化问题及人工智能等方面的突破性进展。借助诸如 Grover 算法和 Shor 算法等量子算法，量子计算机可极大提升数据搜索速度，并破解那些经典计算机需耗时数十亿年才能攻破的加密系统。尽管目前仍处于相对早期的发展阶段，量子计算机已展现出显著潜力，有望塑造下一代计算技术的面貌。

关键词：量子计算；量子比特（qubit）；量子信息处理；量子算法；Grover 算法；Shor 算法；量子密码学

1. 引言量子计算正迅速从一种理论层面的好奇对象，迈向一种现实世界中具有变革性的技术。基于量子系统的先进计算能力——源自量子力学的独特性质——有望显著提升我们各类系统的运算速度与效率［1］。通过突破经典计算范式中仅能取 0 或 1 两种状态的二进制位（“比特”），转而采用可借助量子叠加原理同时处于多种状态的量子比特（qubit），量子系统能够在某些计算问题上实现远超经典计算机的求解速度［2］。此类计算效率的提升对网络安全、信息检索以及人工智能优化等领域具有广泛深远的影响［3］。

尽管量子计算常被视作某种遥远且充满未来感的创新，更像是科幻小说中的情节而非现实应用，但该技术实际上已以某种形态存在：硬件方面已有谷歌的Willow芯片［4］、IBM的超导量子处理器［5］、IonQ的囚禁离子系统［6］；软件方面则有Qiskit［7］、谷歌的Cirq［8］以及微软的量子开发工具包（QDK）［9］等平台。尽管当前的量子设备在规模与错误率方面仍受限，但其持续演进已反映出向更稳健、可扩展系统快速迈进的进展［10］。这些进展对密码学［11］、优化问题［12］、农业与食品［13］以及材料科学［14］等领域均具有深远影响。倘若成本持续下降，并在现实部署中展现出可验证的实际价值，其快速普及将成为可能；在此情形下，其产生的影响或可与2022年末至2023年初生成式人工智能所引发的变革相媲美。表1汇总了当前主要的硬件平台与软件开发工具包（SDK）。

鉴于量子技术可能带来的深远影响，至关重要的是，各类组织及整个社会需前瞻性地研判其将带来的机遇与威胁，并确保自身在未来数十年中处于有利地位。本文旨在为当前及未来的专业人士提供量子计算的入门介绍，并在现实世界影响的语境下阐释相关概念——尤其是其对我们各类信息系统所产生的实际冲击。随后，本文将进一步探讨这些创新对社会的广泛影响，包括其对各类信息系统、信息检索，以及信息、知识与计算领域从业者的潜在改变。通过这一分析，量子计算的本质将得以去神秘化，其切实可行的颠覆性潜力也将得以凸显。

1. 量子计算中的量子原理通常，计算领域的概念可被分解为最基本的组成单元，从而更易于大众理解。绝大多数计算系统的最底层单元是二进制位（binary digit），即“比特”——以0和1表示的电信号，构成了系统中所有信息的存储、处理与传递的基础［15］。当一个系统可被还原为0与1的组合时，人们便更容易理解其各组成部分如何从这一基础逐层构建而成。然而，量子计算并不依赖于经典比特；相反，它利用量子力学的独特属性，构建出比任何现有技术都更快、更高效的计算机器［16］。因此，要理解量子计算机，我们首先需具备一定的量子理论背景知识。

量子力学聚焦于原子及亚原子尺度上的现象——例如原子内电子的行为、光的基本粒子（光子）的特性等——并解释为何这些粒子的行为往往违背经典直觉［17］。尽管经典物理学可近似描述宏观物体的运动，但在量子尺度上却失效：此处的粒子既表现出波动性，又表现出粒子性。例如，电子并不占据固定的位置，也不遵循精确的轨迹；相反，它们以波函数描述的概率分布形式存在。这些原理并不仅限于亚原子粒子；在原子尺度乃至更大范围内，量子行为同样至关重要——尤其在量子化学等领域，分子的结构与相互作用从根本上依赖于量子效应［18］。图1展示了量子计算机制的概要示意图。

量子理论的基本假设之一是 叠加原理 （superposition），它指出：一个量子系统可同时以多个基态的线性组合形式存在。在量子计算中，这意味着 量子比特 （qubit）——与必须处于0或1状态的经典比特不同——能够以0和1两种状态的相干叠加形式存在。数学上，一个量子比特的状态可表示为：

需特别指出的是，这种叠加态并非意味着量子比特在经典意义上“同时是0和1”，也不等同于经典概率意义上的不确定性。叠加反映的是信息在量子力学框架下所具有的独特结构，正是这一结构使得量子系统能够产生强大的干涉效应与计算能力——薛定谔猫思想实验［20］常被用于阐释这一特性。

量子纠缠（entanglement）是另一关键量子现象：当两个或多个量子比特以某种方式相互关联时，对其中一个量子比特的测量将瞬时影响其余量子比特的测量结果概率分布，无论它们之间相距多远［21］。这一特性使量子计算机得以以经典计算机无法实现的方式进行高度互联且并行的信息处理。

为构建具备实用功能的量子计算机，其物理实现的量子比特必须满足一系列严苛条件，即所谓DiVincenzo判据［22］：包括能够高保真地完成量子比特的初始化、相干操控与测量，同时确保系统具备可扩展性及足够长的相干时间。目前，研究者已开发出多种物理平台以应对这些挑战。例如，光镊中的中性原子［23］和离子阱系统［24］均属于宏观尺度下的物理实现方案，它们已成功支持量子比特的相干操控与纠缠生成，展现了量子行为可超越微观尺度、在更大体系中显现的可能。

表2对比展示了经典计算机与量子计算机在信息处理机制上的根本性差异。

当某人对一个量子态进行观测或测量时，叠加态似乎会“坍缩”为某个单一、确定的结果。然而，这一“坍缩”——作为量子理论的一个基本假设——与退相干（decoherence）这一物理过程截然不同：退相干源于量子系统与其环境之间不期望的相互作用［25］。当量子信息因热噪声或与外部粒子的耦合而泄漏至环境中时，便会发生退相干，从而破坏原本脆弱的量子态。因此，量子系统必须通过精心的隔离与稳定措施（如下一节所述的专用硬件）加以保护，以抑制退相干，确保实现有意义的量子计算。

为对量子比特实施操作，量子计算机采用量子门（quantum gates）——即经典计算中逻辑门的量子对应物。这些量子门通过对量子态施加酉变换（unitary transformations）来操控量子比特，从而改变其叠加态与纠缠结构，而不会引发波函数坍缩。当前常用的量子门包括：Hadamard 门（用于制备叠加态）、Pauli 门（如 X、Y、Z 门）以及受控非门（CNOT 门，用于生成纠缠态）等。上述原理构成了量子计算从理论构想走向可行技术的基石。图2展示了 IBM 量子处理器性能的演进历程。

2.1 量子计算硬件
量子计算所采用的硬件与经典计算系统存在显著差异，其设计核心在于确保技术能够维持并操控脆弱的量子态。量子比特必须与任何噪声或干扰严格隔离；否则，其量子特性极易遭到破坏。当前主要的量子硬件平台包括：超导电路——利用微波脉冲操控处于极低温环境下的超导电环；以及囚禁离子系统——通过激光操控悬浮于电磁场中的原子。维持量子相干性并抑制退相干是当前面临的主要挑战，这也推动了多种不同物理实现方案的探索与发展。

除超导电路与囚禁离子系统外，若干颇具前景的硬件平台为实现可扩展、高保真度的量子计算提供了替代路径。

一个典型例子是光镊囚禁的中性原子——利用高度聚焦的激光束（即“光镊”）捕获单个原子（通常为铷、铯等碱金属原子）［26］。这些原子可被高精度地排列成可重构的阵列或晶格结构，具有极高的空间分辨率。量子信息被编码于原子的内禀能级（如超精细能级）之中；通过将原子激发至高能里德堡态（Rydberg state），可实现量子比特之间强而可调的相互作用，从而完成受控操作。

另一类方案采用光子量子比特，即利用光子的偏振、时间仓（time-bin）或空间路径等自由度对量子信息进行编码［27］。光子天然以光速传播，且与环境相互作用极弱，因而可在室温下运行，特别适合长距离量子通信与量子网络构建［28］。

此外，金刚石中的氮-空位中心（nitrogen-vacancy, NV centers）构成了一种固态量子平台：其结构为金刚石晶格中一个氮原子取代邻近空位处的碳原子［29］。与NV中心关联的电子自旋态可通过光手段实现初始化与读出，且在室温下相干时间可达毫秒量级。该平台在量子传感、量子通信及小规模量子网络等领域展现出良好应用前景［30］。

尽管量子硬件研发已取得显著进展，实现实用化量子计算仍需克服与错误与噪声相关的根本性挑战。量子态本质上极为脆弱，易受退相干及操作误差影响，因此必须依赖量子纠错（quantum error correction）技术——在不直接测量量子比特的前提下保护信息［31］。纠错方法通常将一个逻辑量子比特编码为多个物理量子比特的纠缠态，从而实现对错误的检测与修正［32］。实践中，纠错需耗费大量资源开销：每个逻辑量子比特需由众多物理量子比特编码实现，并需频繁执行“校验子提取”（syndrome extraction）与解码操作。

与之相辅相成的是容错性（fault tolerance）：即使单个组件存在缺陷，只要在整个计算过程中持续应用纠错机制，仍可保证量子计算可靠运行［33］。构建可容错实现的通用量子门集合（即经典逻辑门的量子对应物），对实现可扩展量子计算机至关重要［34］。容错性不仅关乎信息保护，更对门操作、测量及前馈（feedforward）等环节的协同方式提出严格约束，以确保在长时间计算过程中，局部故障仍可被有效纠正。

2.2 量子算法

使用经典计算机时，若要尝试破解一个十位字符的密码，你必须一次输入一个组合［35］。如果密码由10个字母数字字符组成（26个大写字母、26个小写字母和10个数字，共10位字符），则共有种可能的组合。这意味着存在839万亿亿（quintillion）种可能性。即使一台速度惊人的现代超级计算机，每秒能尝试10亿种组合，平均也需要超过10,000年才能猜出正确的组合。

Grover 算法通过利用叠加态、相位反转以及干涉引起的振幅放大等独特的量子现象，为非结构化搜索问题提供了二次加速［36］。这使得它能够将所需步骤数从839万亿亿减少到约290亿，因为 Grover 算法提供的是二次加速，其求解步骤数大约等于839万亿亿的平方根（即290亿），如图3所示。

与一种常见误解——即“量子算法能同时检验所有组合”——相反，Grover 算法并非以经典意义上的并行方式逐一评估所有可能性。相反，它通过精心编排量子干涉，在迭代次数与总可能组合数的平方根成正比的前提下，显著提升测量到正确结果的概率［37］。例如，即便一个系统每秒仅能执行1000次操作，也可在不到一个自然年内找出正确密码；而一个更高效、每秒执行100万次操作的系统，则可在数小时内完成破解。

另一项构成重大威胁的量子算法是Shor 算法［38］。在现代加密体系（例如用于保护系统间通信的 RSA 加密算法［39］）中，确保信息不被破解的核心在于：将一个极大整数分解为其两个原始素因子在数学上极为困难。该大数（即模数）作为两个素数的乘积是公开的，但其两个素因子的身份则保密。在 RSA 加密中，待分解的整数长度可达数百位，而使用经典计算机找出这对大素数几乎不可能——预计需耗时数十亿年。然而，运行于量子计算机上的 Shor 算法却能以指数级加速完成大数分解［40］。它并非逐一尝试各种可能，而是借助量子并行性，在数小时内即可找出因子，从而对 RSA 及类似加密方案的安全性构成严峻威胁。

2.3 计算复杂性与量子优势

要严谨评估量子计算的能力，必须将其置于计算复杂性理论（computational complexity theory）的框架之内［41］。该理论根据使用不同计算模型解决问题所需的计算资源（通常是时间或计算步骤）对问题进行分类［42］：

• P 类（多项式时间类） 包含那些可通过经典确定性算法在多项式时间内高效解决的问题。
• NP 类（非确定性多项式时间类） 包含那些其解可在多项式时间内被高效验证的问题，即使找到这些解本身可能无法在多项式时间内完成。理论计算机科学中最著名的未解问题之一便是：P 是否等于 NP？
• BQP 类（有界误差量子多项式时间类） 包含那些可由量子计算机以小于 1/3 的错误概率高效解决的问题（该错误概率可通过重复运行进一步降低）［43, 44］。

人们普遍认为，量子计算机的主要计算优势体现在那些属于 BQP 类但不属于 P 类的问题上。一个典型的例子是整数分解问题［45］。虽然经典算法需要超多项式时间才能分解大整数，但 Shor 的量子算法却能在多项式时间内完成此任务——从而将该问题归入 BQP 类。由于整数分解被认为不属于 P 类，这一能力清晰地展示了量子计算在特定问题类别上超越经典方法的潜力［46］。

2.4 量子计算的威力

如上文示例所示，量子计算使计算机得以更高效地利用信息。尽管数据本身并未真正传输得更快（信息传递速度受限于光速及承载信号的物理介质的效率），但其解读过程却显著提速，同时实现了更高层级的加密（即安全性）与处理效率。这意味着数据的利用效率大幅提升，从而可极大缩短大规模计算、仿真或人工智能模型训练所需的时间。

量子计算在特定类型计算任务中展现出的显著加速潜力，使其成为计算领域的一项革命性突破。当与人工智能结合时，量子系统有望以远超经典计算机的速度应对各类复杂问题——例如优化、模式识别与药物研发等［47］。此类加速将使人工智能模型得以分析海量数据集，并以前所未有的规模与速度进行决策。尽管并非所有人工智能任务都能同等程度受益于量子增强，但这两项技术的融合仍可能重塑整个产业格局，并重新划定机器能力的边界。

量子计算有望将近期已具革命性的技术创新进一步推向新高度。正如生成式人工智能等独立工具已通过改进我们的计算与决策方式深刻改变了生活，若将其整合于量子赋能的系统之中，这些工具的性能或将跃升至全新层级——使今日的先进技术蜕变为明日的“超强系统”。

1. 量子计算最具潜力影响的领域

3.1 网络安全与后量子密码学

量子计算引发的最大关切之一在于网络安全。如前文示例所示，量子计算对当前依赖大数分解或离散对数等数学难题的传统加密与访问控制机制构成了严峻挑战。这一发展使知识产业中的诸多系统面临极高的攻击风险；而在更广泛的社会层面，攻击目标可能集中于军事系统与金融机构［48］。倘若该技术落入不当之手，极有可能严重破坏整个信息基础设施，并造成广泛损害。

为应对量子计算对网络安全带来的威胁，研究者已开发出后量子密码学（Post-Quantum Cryptography, PQC），旨在确保密码系统即使面对拥有量子计算机的攻击者时仍能保持安全［49］。需强调的是，PQC 并非利用量子计算机的弱点，而是基于一类被认为对经典算法和量子算法均难以高效求解的数学问题构建［50］。

以基于格的密码学（lattice-based cryptography）为例：该方法引入高维空间中的格结构问题，并在设计中加入噪声。可将“格”想象为一个多维网格——如同在一个巨大的蛛网中寻找若干条不可见细线的确切交点。其目标在于构造一类问题，使其复杂度高到即便强大的算法也难以高效“解开”。

3.2 信息检索

如前文关于 Grover 算法的讨论所示，量子计算机具备以二次加速（即约平方根级别提速）遍历海量数据集的能力，远超传统计算机［51］。这意味着用户可输入高度复杂、细节丰富的查询语句，而量子算法则能近乎实时地扫描全部可用文档的文本内容，并返回高度相关的资源。若再与大型语言模型（LLM）等新兴技术结合，此类工具可迅速优化资源元数据、产出更精准的检索结果，并对结果进行更佳的上下文关联与解释——其速度远超当前的信息检索系统。

对信息用户而言，这无疑是一大福音，极可能引发一场与 ChatGPT 问世时相仿的技术革命。正因如此，目前已有众多企业大力投入量子技术的研发。

然而，量子信息检索也存在若干问题，可能对图书馆等信息机构乃至用户自身产生负面影响。从图书馆与馆员的角度看，以最快速度提供最相关的信息本是核心使命——这直接呼应了阮冈纳赞（Ranganathan）《图书馆学五定律》中的“节省读者的时间”与“每名读者有其所需之书”，也契合现代图书馆以服务为导向的价值取向［52］。但问题在于：若这些量子检索机制表现得过于高效，是否会使得图书馆与信息专业人员趋于“过时”？此外，算法的复杂性也可能令馆员难以向用户解释其运作机制，或难以及时识别问题出现的时机与原因。

不过，这也可能催生一种新的信息素养维度：当所获信息“过于完美”时，应如何应对？若一个答案看似无懈可击，是否意味着它隐含某种视角偏见？抑或某些关键信息已被无意或有意地遗漏？——这将成为未来信息素养教育亟需探讨的新课题。

3.3 自动化

得益于其在快速优化决策方面的强大能力，量子计算有望极大提升当前自动化的速度与复杂程度［53］。借助与高效信息检索和密码破译相同的底层原理，量子系统可精确计算从A点到B点的最快或最安全路径，最小化机器运行所消耗的能量，并显著降低机器产生的错误率［12］。

目前，除量子计算本身存在的技术限制外，阻碍量子增强型自动化广泛应用的最大障碍在于其高昂的经济与能源成本［50］。在短期内，这一成本对许多应用场景而言将是难以承受的：量子系统构建、运行与维护费用极高，且需依赖超低温等特殊环境条件才能稳定运行。这使其在许多小规模应用中（例如优化单辆自动驾驶汽车）尚不具现实可行性。然而，与大多数新兴技术的发展轨迹相似，随着技术成熟，其成本、体积与能耗有望逐步下降，而性能与可及性则将持续提升，从而推动其在更大范围内的普及与部署。

1. 量子后时代（后量子未来）

量子计算的兴起，将为社会及诸多行业带来若干关乎存在本质的问题与挑战。这一创新本质上是一种“整合性”技术——它不仅强化了现有各类技术对信息基础设施所构成的潜在威胁，也深刻重塑了知识工作者在社会中的角色［54］。这为专业人士提出了全新挑战：如何在不断演化的格局中重新定义自身职能［55］。本节探讨量子计算可能对技术与社会产生的若干潜在影响。尽管目前多数影响仍属理论推演，但提前审慎考量这些可能性，对于前瞻性地研判并应对未来发展趋势至关重要。

4.1 知识密集型产业将如何演变？

知识密集型产业本身不太可能消失，但知识工作的本质将发生显著转变。那些高度依赖模式识别、内容摘要、索引编制或数据分析的任务，将最直接受到量子增强型人工智能系统的冲击［56］。具备即时检索、解读并以通俗语言阐释复杂材料能力的系统，或对研究分析师、技术文档撰写者及信息专家等传统职业角色构成挑战［57］。

然而，更恰当的理解是：这一转变并非职业的“消亡”，而是其内涵的“转型”。知识产业从业者将日益聚焦于战略规划、伦理治理、政策制定、教育培训与系统设计等高阶职能［58］。其核心价值将体现为：引导技术的负责任研发与应用、保障过程透明性，并在信息生成与使用过程中培育社会信任。为保持自身不可替代性，知识工作者需着力强化机器难以复制的“以人为本”的能力——例如情境化判断力、人际沟通力以及伦理推理能力。

4.2 工作的未来将走向何方？

量子计算的出现，已促使人们重新思考整体“未来工作”的图景。理论上，量子算法的超高速度将催生一类计算机，其执行诸多人类任务的速率远超人类自身［59］。计算速度与效率的理论性跃升，可进一步增强人工智能模型的能力，有望比以往更高效地自动化处理重复性、预测性或基于模式识别的任务［60］。这将波及广泛的职业领域——从白领知识型工作，到装配、运输等蓝领体力岗位［61］。

与此同时，新的机遇亦将涌现：量子技术的研发、维护与实际应用，亟需具备专业技能的人才，极有可能催生全新的职业类别［62］。

4.3 人类心智将何去何从？

与量子计算兴起相关的一个尤为引人深思的问题是：在这一急剧变革的背景下，人类心智、人际互动以及人类价值观将走向何方［63］？尽管许多人或许认为，人类的认知能力与批判性思维在当代已处于历史低谷，而随着技术的进一步普及——尤其是那些能大幅提升现有AI模型能力、代我们获取信息与执行任务的技术——此类问题恐将进一步加剧。我们究竟面临何种前景？是陷入意义的全面疏离——生活被掏空为无意义的操作与反馈？抑或迎来一场解放——从机械的记忆、繁重的劳作与日复一日的例行事务中挣脱出来，从而获得更丰盈的精神空间？

相较于前述两点，这一问题更具哲学意涵，亦属长期关切；然而，它或许将对社会整体福祉产生最为深远且持久的影响。

表3汇总了本文所提出的量子计算可能影响社会的全部领域——尤其聚焦于信息与知识领域。

4.4 量子伦理与政策

显然，当涉及量子赋能系统的强大能力时，伦理问题是重中之重。如网络安全部分所述，量子计算对当前主流的加密标准（如广泛应用于银行、医疗保健和国家安全等关键领域的 RSA 与椭圆曲线密码学 ECC）构成了严重威胁。此外，量子技术还可能驱动超智能人工智能系统的诞生，从而在极短时间内引发社会剧变。

因此，开发者与政策制定者亟需就此展开深入探讨：如何应对量子技术兴起可能带来的颠覆性影响？例如——

• 是否应赋予某些关键利益相关方（如政府或基础设施运营商）对新型量子解密技术的优先或早期访问权？
• 企业与政府应如何协同监管超智能系统的出现与部署？
• 如何确保这些量子工具被负责任地使用，并切实服务于社会整体福祉［64］？

近几十年来，技术创新的步伐显著加快；而从其他新兴技术（如人工智能）的发展轨迹来看，量子计算同样亟需我们当下即给予严肃关注。就在不到五年前，人们尚以类似态度看待人工智能及大型语言模型的应用前景，然而 AI 却在看似一夜之间重塑了多个行业［65］。近期进展——例如谷歌推出的 Willow 芯片，其可在 5 分钟内 解决现代超级计算机需耗时 10 秭年（即

年，远超宇宙年龄）才能完成的问题［66］——更凸显我们距离量子技术的重大突破已然非常接近。

1. 结论

本文探讨了量子计算的基本原理、当前发展状况及其在多个领域的潜在应用。尽管量子计算仍处于早期阶段，并面临诸多重大技术挑战——尤其是量子纠错与量子比特稳定性问题——但其发展轨迹已清晰预示：变革性影响即将到来。其影响远不止于计算密集型学科；随着量子技术日趋成熟，它将重塑网络安全基础设施、加速科学发现进程，并可能催生新型人工智能形态。

未雨绸缪至关重要：各组织亟需着手研发抗量子攻击的安全协议；科研人员应积极探索本领域内量子增强型方法；政策制定者则须建立伦理框架，以规范量子技术的部署与应用。

基于这一认知，个人亦应即刻着手准备，以期成为下一代技术浪潮的引领者。大型语言模型的兴起，仅是快速创新与技术扩张轨迹中的一步；未来的演进极可能在实践与政策层面引发更深层次的变革，因而更需前瞻性布局。即便我们并非量子力学或量子计算领域的技术专家，理解这一创新可能给社会带来的深远影响，仍是每一位公民的必要素养。

原文链接： https://www.mdpi.com/2673-8392/5/4/173