走近神秘的 量子計(jì)算機(jī)

凱米

奇怪的理論

在許多科幻故事中，量子計(jì)算機(jī)都曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)，它們運(yùn)算速度極快，只需要幾十秒就可以解開(kāi)電子計(jì)算機(jī)需要花數(shù)千年才能破解的密碼，甚至，一個(gè)手提箱大小的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的確是與傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)完全不同的機(jī)器。在我們習(xí)慣的宏觀世界里，電子計(jì)算機(jī)的處理器是用硅制造的。人們?cè)诠璧谋砻婵坛鼍w管，構(gòu)建出邏輯門(mén)，來(lái)允許或者阻止電流通過(guò)，產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制的信息單元——比特。在電子計(jì)算機(jī)中，比特的狀態(tài)是確定的，要么是“0”，要么是“1”，由比特組成的每一個(gè)存儲(chǔ)位都存儲(chǔ)著一個(gè)確定的值，比如一個(gè)兩位的比特，必定存儲(chǔ)著“00”、“01”、“10”、“11”中的一個(gè)值。

量子計(jì)算機(jī)并不是這樣工作的，它以電子、離子、原子、光子等微觀粒子來(lái)構(gòu)建計(jì)算機(jī)的信息單元——量子比特，處理信息的理論基礎(chǔ)源自量子力學(xué)。量子力學(xué)是一種微觀世界的物理學(xué)，雖然已經(jīng)建立了近百年，相當(dāng)成熟，但違背直覺(jué)，超出了人們的日常生活經(jīng)驗(yàn)。比如，量子力學(xué)中的三大基本理論——態(tài)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(dòng)性由波函數(shù)來(lái)體現(xiàn)，波函數(shù)異常復(fù)雜，同時(shí)描述著粒子所有可能呈現(xiàn)的狀態(tài)。所以，在人們測(cè)量一個(gè)粒子之前，粒子的狀態(tài)是無(wú)法確定的，將會(huì)同時(shí)處于所有可能狀態(tài)的疊加態(tài)上，這就是態(tài)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(cè)量行為都會(huì)從根本上改變被測(cè)粒子的狀態(tài)，使原本處于疊加態(tài)的粒子，瞬間塌縮到某一特定的可能狀態(tài)上。這就好比人們不知道天上有沒(méi)有月亮，沒(méi)人看月亮?xí)r，月亮處于“有”和“沒(méi)有”的疊加態(tài)，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(tài)就改變了，塌縮為要么“有”，要么“沒(méi)有”。所以，退相干也被叫做波函數(shù)塌縮效應(yīng)。

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(jīng)典規(guī)律都無(wú)法解釋的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)攜帶著信息，使得發(fā)生糾纏的各個(gè)粒子處于一種不可分割的整體狀態(tài)，改變?nèi)魏我粋€(gè)粒子的狀態(tài)都會(huì)瞬間影響到另外一個(gè)粒子。

上述三種奇怪的理論與量子計(jì)算密切相關(guān)，它們決定了量子計(jì)算機(jī)的奇妙性能。

并行計(jì)算和退相干

前面提到，電子計(jì)算機(jī)是通過(guò)具有“0”和“1”兩種狀態(tài)的比特和邏輯門(mén)進(jìn)行運(yùn)算的，每一個(gè)時(shí)刻只能具有一種狀態(tài)。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(gè)二進(jìn)制數(shù)，同樣每一個(gè)時(shí)間內(nèi)只能同時(shí)存在一種，于是我們得出，電子計(jì)算機(jī)同時(shí)可處理的信息總數(shù)和比特位數(shù)的關(guān)系為“2+2+2……=2n”個(gè)。

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

雖然量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力驚人，但是它也存在致命的缺點(diǎn)。由于退相干，人們只要觀察粒子就會(huì)干擾粒子，這使得人們從量子系統(tǒng)中獲取信息變得極其困難。而且，人們總希望自己是量子計(jì)算機(jī)的唯一觀察者?？蓪?shí)際上，環(huán)境無(wú)時(shí)無(wú)刻不在對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)與環(huán)境產(chǎn)生糾纏，不再保持理想的量子純態(tài)，逐漸失去信息的真實(shí)性。從信息的角度講，量子信息會(huì)逐漸丟失在環(huán)境中而不是進(jìn)入人們的測(cè)量裝置，計(jì)算機(jī)的操控者其實(shí)是在與環(huán)境搶信息，而量子信息尚未完全丟失的這個(gè)時(shí)間段就是這個(gè)系統(tǒng)的相干時(shí)間?？梢?jiàn)，量子計(jì)算機(jī)非常脆弱，為了減少環(huán)境的干擾，量子計(jì)算機(jī)大都設(shè)計(jì)在低溫超導(dǎo)條件下工作。目前，最好的超導(dǎo)原子系統(tǒng)的相干時(shí)間大多在10～100微秒之間，也就是說(shuō)，直接用它們做成的量子計(jì)算機(jī)最多只能連續(xù)工作萬(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一秒。

由于退相干，量子計(jì)算機(jī)一度被認(rèn)為永遠(yuǎn)不可能做成，直到量子糾錯(cuò)概念的出現(xiàn)。在傳統(tǒng)的信息技術(shù)中，最簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)方法是將信息復(fù)制多個(gè)副本來(lái)防止個(gè)別副本的出錯(cuò)，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(tài)是不能復(fù)制的，人們不能為量子信息制作多個(gè)副本，所以新的思路是，科學(xué)家把量子計(jì)算機(jī)輸出的信息存儲(chǔ)在幾個(gè)高度糾纏的量子比特里，觀察其中一個(gè)量子比特，由于量子糾纏，其余的量子比特就會(huì)受影響，科學(xué)家可以通過(guò)分析其余量子比特的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單一量子比特信息的觀察。

可能的用途

理論上，如果進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的計(jì)算，由于量子計(jì)算機(jī)是并行計(jì)算機(jī)，可以同時(shí)嘗試所有可能，然后科學(xué)家利用各種手段將其中最好的結(jié)果提取出來(lái)，那么量子計(jì)算機(jī)非常適用于破解密碼或者解決那些傳統(tǒng)的隨條件增加而運(yùn)算量迅速變大的數(shù)學(xué)難題。不過(guò)，目前科學(xué)家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)短時(shí)間內(nèi)在傳統(tǒng)的計(jì)算領(lǐng)域還沒(méi)有清晰明確的應(yīng)用。

量子計(jì)算機(jī)并不是電子計(jì)算機(jī)的升級(jí)版，它的運(yùn)行遵循量子力學(xué)的規(guī)律，從物理學(xué)家的視角看，量子計(jì)算機(jī)最有價(jià)值的潛在應(yīng)用其實(shí)在于量子仿真。自然界中原子、分子、電子的物理過(guò)程都遵守量子力學(xué)，而量子計(jì)算機(jī)的核心就是微觀粒子，最適合用來(lái)模擬待研究的復(fù)雜量子系統(tǒng)，即用量子機(jī)器求解量子問(wèn)題。比如，用于模擬藥物分子的合成過(guò)程，研究病毒蛋白質(zhì)的立體折疊結(jié)構(gòu)。量子計(jì)算機(jī)將是一種前所未有的認(rèn)識(shí)微觀世界的強(qiáng)大工具，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的第一波應(yīng)用也將是對(duì)科學(xué)的意義大于對(duì)商業(yè)，對(duì)科學(xué)家的意義大于對(duì)普通人。