冯诺依曼计算机的特点(数学家冯诺依曼)
最近几年来，大家应该都听说过关于量子计算机的新闻，在人们的印象中它是非常厉害的存在。但是，却很少有人能真正说清楚什么是量子计算机。
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在这里，我将以最通俗易懂的方式，给大家讲清楚什么是量子计算机。
一、基本概念
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首先，我们来对一些基本概念进行简单的讲解。
1.计算机
一种进行数据计算的机器，它接收用户输入的数据，并通过预先设计好的程序进行计算，最终将计算结果输出给用户。
从狭义上来讲是指电子计算机，即我们俗称的电脑（当然也包括手机等智能设备）。
广义上来讲，一切计算设备，包括算盘等在内，都可以称为计算机。
2.量子
量子是科学家为了研究微观物理而引入的一个概念，如果一个事物由不连续的基本单元构成，那么我们就可以说这个事物是可量子化的，并将其中最小的基本单元称为量子。
按照这个概念，我们高中物理学过的电子、光子等微观粒子就是量子，我们都知道它们的能量分布是不连续的。
有一个专门的物理学科来研究量子的物理规律，这个学科叫做量子力学。
3.量子计算机
通过量子力学的物理规律进行高速的数学、逻辑运算，处理并存储量子信息的物理设备，就称之为量子计算机。
二、计算机的发展历史
计算机的发展历史可以追溯到远古时期，最早，我们的祖先使用“结绳记事”，到后来算盘的出现，这些凝聚着劳动人民智慧结晶的产物，就是最原始的计算机思想。只不过它们以最直观、机械的方式实现计算机。
在第二次世界大战时，为了快速破译纳粹德国的情报，由图灵设计的巨人机，就具备现代计算机的雏形，已经采用了二进制进行算术、逻辑运算。从某种意义上讲，它才是人类第一台计算机，只是因为军事保密的需要，未能公开。图灵无论是对于二战、还是计算机领域，都有非常大的贡献，计算机的最高奖项——图灵奖，即用他的名字命名。
人类第一台计算机，于1946年在美国诞生，这台计算机的名字叫做ENIAC，它是由冯.诺依曼提出的设计方案，我们现在的计算机都是冯诺依曼架构。
此后，计算机进入了高速发展时代，到目前为止，总共经历了以下四个阶段：
1946年至1958年，电子管计算机阶段。
1958年至1964年，晶体管计算机阶段。
1964年至1970年，集成电路计算机阶段。
1970年至今，超大规模集成电路计算机阶段。
三、冯诺依曼架构
为了加深对量子计算机的理解，我们先来了解经典计算机，即冯诺依曼架构计算机。
冯诺依曼体系架构计算机，由硬件和软件2部分组成，其中硬件包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备组成。核心思想是：采用二进制运算，并且按照程序的顺序计算机逐条指令进行执行。
冯诺依曼架构
之所以采用二进制，是因为它对机器是非常友好的，二进制的每个数位上有0或1两种状态，计算规则是逢二进一，例如：
十进制0：等于二进制0,
十进制1：等于二进制1，即0+1
十进制2：等于二进制10，即1+1，满足逢二进一
十进制3：等于二进制11，即10+1
十进制4：等于二进制100，即11+1，亦满足逢二进一
以此类推。。。。。
计算机通过一种叫逻辑门电路的东西，来具体执行二进制运算，基本的逻辑门电路有三种，分别是逻辑与门、逻辑或门、逻辑非门。通过基本逻辑门电路的不同组合，又能设计出计算能力更强大的逻辑门电路，例如现在的芯片，就是有几十亿个基本逻辑门电路构成。
逻辑门电路背后的物理硬件，是通过半导体中的晶体管实现的，晶体管是工作在电气特性上的。但凡工作在电气特性上的元件，都会有2种状态，一种是通电状态，另一种是断电状态，俗称开、关。
说到这里，我们就非常清楚了晶体管的开和关2种状态，天然的就跟二进制中的0和1两种状态对应上了，这就是二进制对计算机友好的原因，因为，计算机硬件天然的特性就适合二进制。
每个二进制位，称之为比特位，硬件层面由晶体管具体实现比特位。
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1个二进制比特位能表示0、1
2个二进制比特位能表示00、01、10、11
3个二进制比特位能表示000、001、010、011、100、101、110、111
N个二进制比特位则能表示2?个数(状态)....
但是，从我们的直觉上也知道，晶体管的通电和不通电2种状态是互斥的，即同一时刻，只能处于其中一种状态。
也就意味着二进制的每个数位上，同一时刻只能为0或1，因此，即使有N个二进制位，它也只能表示2?个数中的一种状态。
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由于同一时刻只能表示一个数，这就决定了，在经典计算机上每次只能对一个数进行运算，如果有1000个数需要计算的话，就要执行1000次串行运算。
因此，经典计算机的计算能力，受到晶体管数量的限制，需要不断增加晶体管数量来提升计算机的计算能力。
目前，计算机芯片的晶体管数量已经达到了几十亿颗，这种数量级，芯片设计是非常复杂的。
此外，现代的计算机，为了方便携带、使用，体积是有限的，因此，要在如此小的空间里面，要放下几十亿个晶体管，每个晶体管的体积要求非常小，通常在纳米级别，制造工艺要求又非常高。
芯片的设计、制造，集合了全人类最高的智慧，不是一个国家或一个企业能完成的。
很遗憾的是，通过增加晶体管数量的方式，来提升计算机运算能力，最终是会达到极限的。因为晶体管的体积是不能无限小的，当体积小于纳米级别的时候，将会表现出不稳定的现象，从而影响计算的准确性。
因此，我们必须找其它方式来提升计算机的运算能力，量子计算机就是其中一个很好的解决方案。
三、量子计算机
量子计算机也是采用二进制运算，但不同的是，量子计算机中采用的是量子作为二进制比特位。相对于经典计算机中的晶体管，量子有一些很好的特性。
首先，量子具有叠加态原理，即一个量子能表示多种状态，并且这些状态是可以叠加的，即可以同时表示多个状态。
这个特性用在二进制计算中，能够实现每一个量子比特，可以同一时刻表示0和1两种状态，N个量子比特，则能同时表示2?个数。
既然能够同时把这些数表示出来，因此，量子计算机就能一次性对2?个数进行计算，从而实现了2?级别的并行运算。
另外，量子还有一个叫纠缠态的原理，即每个量子，都会和另外一个量子纠缠在一起，他们关系非常紧密，改变其中一个量子的状态，另一个量子状态也随之改变。
这个特性也可以用于二进制运算，N个量子比特能实现2?的并行运算，同时另外N个纠缠的量子也能自发参与到计算中，因此，这是N个纠缠的量子，又提供了2?倍的并行运算能力，最终的并行运算能力达到了惊人的2?*2?。
总体来讲，量子计算机的核心原理，就是运用量子叠加态和纠缠态的物理规律，实现超高速的并行运算。
四、量子计算机的优势
量子计算机的优势就是，实现了量子霸权，即在运算能力上 ，实现了对经典计算机的碾压式超越。
目前，我国的中科院已经制造出了九章、祖冲之2个量子计算机原型机，另外，美国的谷歌和IBM也设计出了自己的原型机。
这些原型机实际表现出来的运算能力，是目前最强超级计算机的几万亿倍。
这个运算能力的提升，将对经典计算机的产生很大的冲击，首当其冲的是加解密算法。
例如RSA算法，是通过对一个几百位或者几千位的数字进行质因数分解实现的，对一个大数的质因数分解，运算量非常大，放在经典计算机上，需要上百亿年才能完成。但在量子计算机上，只需几百秒即能完成。
五、量子计算机面临的问题
虽然量子计算机如此优秀，但它还有一些难题需要克服，例如：
量子计算机的噪声比较大，很容易受到干扰，因为量子具有退相干特性，量子会跟空间周围的其它量子产生作用，从而导致计算结果出错。
这个问题科学家一般通过编码的方式来解决，即通过多个比特位表示一个比特位，例如：用100个1来表示一个1，即使丢失了几个1，也能知道原始数据就是1。这就好比将一个圆，拆分成几千个碎片，即使丢掉了几个碎片，我们还是能知道它是一个圆。
量子计算机的结果测量也是比较麻烦，因为量子计算机是并行运算的，因此，所有的运算结果都放在一起，如何从中将我们需要的结果取出来呢？这就需要设计一种算法，将不要的结果去掉，从而取出想要的，这个在量子计算机中，称为波函数坍缩。
六、总结
量子计算机仅仅是处于刚起步阶段，目前的原型机，只是对特定问题求解的专用计算机。从专用计算机，到通用计算机，再到商业化推广，再到个人计算机，将会经过漫长的时间。
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另外，量子计算机和经典计算机绝对不是相互替代的关系，他们各有优点可以共同存在。