量子計(jì)算的前世今生

什么是量子計(jì)算機(jī)

我們正在使用的計(jì)算機(jī)（為了便于區(qū)分，下面我都稱之為經(jīng)典計(jì)算機(jī)）的操作嚴(yán)格遵守著邏輯法則。但是微小的量子物體，比如電子、或光子等，可以打破這些規(guī)則。

基于這些打破經(jīng)典的量子規(guī)則，量子計(jì)算機(jī)的想法就此孕育而生，它以一種全新的方式處理信息，使它們的運(yùn)算速度在某些方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要呈指數(shù)增加。

舉個(gè)例子，量子計(jì)算機(jī)可以輕而易舉地破解信息安全機(jī)制。現(xiàn)在你查看的郵件和銀行數(shù)據(jù)都是由安全機(jī)密系統(tǒng)所保護(hù)著的，借由你給所有使用者不同組的公開密匙來加密只有你能解密的信息。這就說明目前最安全的加密方式，量子計(jì)算機(jī)幾分鐘就可以破解，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要永遠(yuǎn)。通過量子計(jì)算機(jī)，迅速破解信用卡、國家機(jī)密和其他機(jī)密資料都將輕而易舉。

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的區(qū)別

當(dāng)我們說量子計(jì)算機(jī)的處理速度要比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快許多的時(shí)候，的確，這很容易讓人誤解為如果科學(xué)家成功研制出量子計(jì)算機(jī)，就可以取代現(xiàn)在我們所使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

而事實(shí)是，量子計(jì)算機(jī)并不是在任何情況下都比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快，而只有在特定的任務(wù)中才會(huì)表現(xiàn)得更加出色。如果你只是想看高清的影片、瀏覽網(wǎng)頁或處理文件，量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)帶來什么進(jìn)步。所以，它無法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

在某種程度上說，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的關(guān)系，就好像激光和白熾燈的關(guān)系。我們不會(huì)用激光去取代白熾燈進(jìn)行照明，但同樣的，白熾燈也無法取代激光在我們?nèi)粘Ｉ钪兴鸬降母鞣N作用。

量子計(jì)算機(jī)可以干點(diǎn)什么

量子計(jì)算機(jī)會(huì)被大量地應(yīng)用在政府組織、研發(fā)公司和大學(xué)之中，用以解決目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

當(dāng)費(fèi)恩曼提出量子計(jì)算機(jī)時(shí)，就想到了它的第一個(gè)實(shí)際用途：模擬量子系統(tǒng)。為什么不用量子計(jì)算機(jī)來模擬量子物理呢？這是一個(gè)絕妙的想法，至少它會(huì)對(duì)化學(xué)和生物學(xué)產(chǎn)生重大影響。例如，化學(xué)家可以準(zhǔn)確地模擬藥物間的相互作用，而生物學(xué)家則可以研究蛋白質(zhì)折疊的所有可能方式，以及它們之間的作用等。

量子計(jì)算機(jī)在識(shí)別數(shù)據(jù)的模式上也有巨大的優(yōu)勢，這對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)問題很有用，可以識(shí)別在圖像中的不同物體。它們也可以被用以建立預(yù)測未來的模型，如長期的天氣預(yù)測。

這些只是一些可以預(yù)見的用途，但最終，量子計(jì)算機(jī)的能力是無法被預(yù)測的。而量子計(jì)算機(jī)的潛力，也是無法想象的。

量子計(jì)算機(jī)如何運(yùn)作

經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的芯片包含模組，模組包含邏輯門，邏輯門包含晶體管。晶體管代表著計(jì)算機(jī)的處理器里一個(gè)最簡單的形態(tài)。簡單說是個(gè)可以阻擋、通過信息的開關(guān)。我們用“開”存儲(chǔ)數(shù)字1，用關(guān)存儲(chǔ)數(shù)字0。每個(gè)0或1代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字（即比特）。比特代表著信息的最小單位。

而量子計(jì)算機(jī)用來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的對(duì)象是“量子比特”，它可以儲(chǔ)存0或1。但瘋狂的是，量子比特也能達(dá)到混合狀態(tài)，稱之為“疊加態(tài)”。也就是說，量子比特能同時(shí)存儲(chǔ)1或0或者既是1又是0，它代表著0和1之間所有可能的疊加狀態(tài)。這種模糊性——可以同時(shí)“是”和“不是”——正是量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特魅力。

雖然你無法預(yù)測量子比特會(huì)處于哪個(gè)狀態(tài)，但當(dāng)你測量它的瞬間，它將會(huì)坍縮成一個(gè)固定的狀態(tài)。

量子計(jì)算機(jī)如何改變游戲規(guī)則

經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的根本區(qū)別在于它們解決問題的方式。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決一個(gè)問題的方式就類似于你試圖逃離一個(gè)迷宮——嘗試所有可能的走道，途中會(huì)遇到死路，直到你最終找到出口。而疊加態(tài)的魔力則在于，它允許量子計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間嘗試所有的路徑，也就是說，它會(huì)迅速地找到一條捷徑。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的兩個(gè)比特可以有四種不同的組合（即00、01、10或11），但它們每次只能處于其中的一個(gè)狀態(tài)。這就限制了計(jì)算機(jī)的處理速度，就好像在迷宮中要嘗試一個(gè)個(gè)走道。

在量子計(jì)算機(jī)中，兩個(gè)量子比特同樣也有四種態(tài)（00、01、10或11）。不同的是，由于疊加態(tài)，兩個(gè)量子比特可以同時(shí)處于這四種狀態(tài)。有點(diǎn)像四臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)同時(shí)并行工作。

如果在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中增加更多的比特，它依舊只能在一個(gè)時(shí)間內(nèi)處理一個(gè)態(tài)。但是當(dāng)你增加量子比特時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的能力就會(huì)以指數(shù)式增長。從數(shù)學(xué)上來說，如果有“n”個(gè)量子比特，就可以同時(shí)代表2的n次方個(gè)態(tài)。

所有這些都體現(xiàn)出了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。雖然目前它無法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言“幾乎不可能的任務(wù)”，量子計(jì)算機(jī)都可以解決。

量子計(jì)算機(jī)

有什么重要性質(zhì)

但為了得到指數(shù)式的計(jì)算速度，所有的量子比特都必須通過一種叫做“量子糾纏”的過程聯(lián)系在一起。愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅般的超距作用”。

起初被糾纏的兩個(gè)粒子都處于自旋向上或向下的疊加態(tài)，一旦我們通過測量知道了第一個(gè)粒子的自旋是向上的，那么第二個(gè)粒子的自旋肯定向下，即使它們相隔宇宙的兩端。當(dāng)有多個(gè)量子比特被糾纏的時(shí)候，對(duì)其中的一個(gè)量子比特的操作就會(huì)瞬時(shí)影響所有其他的量子比特，就意味著空前的并行運(yùn)算能力。

量子霸權(quán)

（通用量子計(jì)算機(jī)）

一般認(rèn)為需要50個(gè)量子比特，才能證明量子霸權(quán)超越經(jīng)典邏輯計(jì)算機(jī)的極限，即有真正的實(shí)用價(jià)值，并讓它們結(jié)合起來成為可儲(chǔ)存和可操作的量子處理器。

50個(gè)邏輯量子比特就可以描述量子霸權(quán)，而要這50個(gè)邏輯量子比特穩(wěn)定的工作需要幾千個(gè)物理量子比特去實(shí)現(xiàn)誤差校正，即去維持量子疊加態(tài)，需要巨大的物理資源。

即使在超低溫下，環(huán)境因素的影響降到最低，不同量子比特的相互作用，也會(huì)讓量子比特丟失量子相干性，而一切量子計(jì)算機(jī)都是基于量子相干性。而且量子比特的數(shù)量越多，相互之間的作用就更不可控。所以即使增加一個(gè)邏輯量子比特也是很艱巨的任務(wù)。

而潘建偉教授的團(tuán)隊(duì)做的玻色采樣，即是在光子平臺(tái)上，對(duì)這一模型的實(shí)現(xiàn)。他們通過電控可編程的光量子線路，首次在國際上實(shí)現(xiàn)5光子玻色采樣。他們的結(jié)果表明，該原型機(jī)的取樣速度比國際同類實(shí)驗(yàn)加快至少24000倍，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10～100倍。可以說這是歷史上第一臺(tái)超越最早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)。

此外，科學(xué)家也利用超導(dǎo)線路中的電磁振蕩作為量子比特。這些作為量子比特的線路可以取值0（沒有光子通過）或1（有微波光子）。先前谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱，但這一紀(jì)錄已被潘建偉團(tuán)隊(duì)打破。此次他們研發(fā)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特的線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測量。

目前，世界各大實(shí)驗(yàn)室都競相在研發(fā)第一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)“量子霸權(quán)”的量子計(jì)算機(jī)。究竟誰會(huì)拔得頭籌，我們拭目以待。稿件來源：中科院物理所