走近神秘的 量子計算機

凱米

奇怪的理論

在許多科幻故事中，量子計算機都曾經出現過，它們運算速度極快，只需要幾十秒就可以解開電子計算機需要花數千年才能破解的密碼，甚至，一個手提箱大小的量子計算機就具備模擬宇宙演化的能力。

科幻故事中的描述固然有些夸張，但量子計算機的確是與傳統電子計算機完全不同的機器。在我們習慣的宏觀世界里，電子計算機的處理器是用硅制造的。人們在硅的表面刻出晶體管，構建出邏輯門，來允許或者阻止電流通過，產生一個二進制的信息單元——比特。在電子計算機中，比特的狀態是確定的，要么是“0”，要么是“1”，由比特組成的每一個存儲位都存儲著一個確定的值，比如一個兩位的比特，必定存儲著“00”、“01”、“10”、“11”中的一個值。

量子計算機并不是這樣工作的，它以電子、離子、原子、光子等微觀粒子來構建計算機的信息單元——量子比特，處理信息的理論基礎源自量子力學。量子力學是一種微觀世界的物理學，雖然已經建立了近百年，相當成熟，但違背直覺，超出了人們的日常生活經驗。比如，量子力學中的三大基本理論——態疊加原理、退相干和量子糾纏，就顯得非常詭異。

在量子世界中，粒子不僅是粒子，也是波，這就是所謂的“波粒二象性”。粒子的波動性由波函數來體現，波函數異常復雜，同時描述著粒子所有可能呈現的狀態。所以，在人們測量一個粒子之前，粒子的狀態是無法確定的，將會同時處于所有可能狀態的疊加態上，這就是態疊加原理。

而且，量子世界中不存在安靜的觀察者，任何試圖讀取粒子量子信息的測量行為都會從根本上改變被測粒子的狀態，使原本處于疊加態的粒子，瞬間塌縮到某一特定的可能狀態上。這就好比人們不知道天上有沒有月亮，沒人看月亮時，月亮處于“有”和“沒有”的疊加態，只以一定的概率掛在天上，而有人看了天上一眼后，月亮本身不確定的疊加態就改變了，塌縮為要么“有”，要么“沒有”。所以，退相干也被叫做波函數塌縮效應。

另外，在量子世界中，相互作用的粒子之間存在著一種不受距離限制的、用任何經典規律都無法解釋的關聯。這種關聯攜帶著信息，使得發生糾纏的各個粒子處于一種不可分割的整體狀態，改變任何一個粒子的狀態都會瞬間影響到另外一個粒子。

上述三種奇怪的理論與量子計算密切相關，它們決定了量子計算機的奇妙性能。

并行計算和退相干

前面提到，電子計算機是通過具有“0”和“1”兩種狀態的比特和邏輯門進行運算的，每一個時刻只能具有一種狀態。一位的比特可以表示“0”、“1”，兩位的比特能表示“00”、“01”、“10”、“11”四個二進制數，同樣每一個時間內只能同時存在一種，于是我們得出，電子計算機同時可處理的信息總數和比特位數的關系為“2+2+2……=2n”個。

與電子計算機有所不同的是，量子計算機中兩位量子比特位也能表示“00”、“01”、“10”、“11”四個二進制數，不過是這四個二進制數是可以同時表示的，這種性質和前面提到的態疊加原理有關，所以，兩位量子比特位能同時擁有的是全部的四個二進制數，也就是“2×2=4”個，如果是三個量子比特位，同時擁有的就是“（0和1）（0和1）（0和1）”的八個二進制數，即“2×2×2=8”種，由此可以推斷出，N 個量子比特位可以同時處理的信息總數是“2×2×2……=2N”個。量子計算機以并行的方式同時處理指數增長的信息，理論上，僅僅300位量子比特位能處理的信息數（2300）就超過了目前宇宙中已知原子的總數，其運算能力將秒殺所有電子計算機。

雖然量子計算機的計算能力驚人，但是它也存在致命的缺點。由于退相干，人們只要觀察粒子就會干擾粒子，這使得人們從量子系統中獲取信息變得極其困難。而且，人們總希望自己是量子計算機的唯一觀察者。可實際上，環境無時無刻不在對量子系統進行測量。這種測量會導致量子計算機與環境產生糾纏，不再保持理想的量子純態，逐漸失去信息的真實性。從信息的角度講，量子信息會逐漸丟失在環境中而不是進入人們的測量裝置，計算機的操控者其實是在與環境搶信息，而量子信息尚未完全丟失的這個時間段就是這個系統的相干時間。可見，量子計算機非常脆弱，為了減少環境的干擾，量子計算機大都設計在低溫超導條件下工作。目前，最好的超導原子系統的相干時間大多在10～100微秒之間，也就是說，直接用它們做成的量子計算機最多只能連續工作萬分之一到十萬分之一秒。

由于退相干，量子計算機一度被認為永遠不可能做成，直到量子糾錯概念的出現。在傳統的信息技術中，最簡單的糾錯方法是將信息復制多個副本來防止個別副本的出錯，這與重要文件一式多份防止篡改同理。但是，量子比特的未知的量子態是不能復制的，人們不能為量子信息制作多個副本，所以新的思路是，科學家把量子計算機輸出的信息存儲在幾個高度糾纏的量子比特里，觀察其中一個量子比特，由于量子糾纏，其余的量子比特就會受影響，科學家可以通過分析其余量子比特的變化，來實現對單一量子比特信息的觀察。

可能的用途

理論上，如果進行傳統意義上的計算，由于量子計算機是并行計算機，可以同時嘗試所有可能，然后科學家利用各種手段將其中最好的結果提取出來，那么量子計算機非常適用于破解密碼或者解決那些傳統的隨條件增加而運算量迅速變大的數學難題。不過，目前科學家認為，量子計算機短時間內在傳統的計算領域還沒有清晰明確的應用。

量子計算機并不是電子計算機的升級版，它的運行遵循量子力學的規律，從物理學家的視角看，量子計算機最有價值的潛在應用其實在于量子仿真。自然界中原子、分子、電子的物理過程都遵守量子力學，而量子計算機的核心就是微觀粒子，最適合用來模擬待研究的復雜量子系統，即用量子機器求解量子問題。比如，用于模擬藥物分子的合成過程，研究病毒蛋白質的立體折疊結構。量子計算機將是一種前所未有的認識微觀世界的強大工具，未來量子計算機的第一波應用也將是對科學的意義大于對商業，對科學家的意義大于對普通人。