最近大火的量子計(jì)算到底是什么？來(lái)了解一下。

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關(guān)鍵信息：

1.光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)其能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。

2.量子計(jì)算是基于量子比特，而非現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的經(jīng)典比特，它利用量子力學(xué)理論中的量子疊加和量子糾纏效應(yīng)，具有天然的“大規(guī)模并行計(jì)算”的能力。

3.為了突破計(jì)算機(jī)目前的局限，研發(fā)出性能無(wú)比強(qiáng)大的處理器，科學(xué)家們轉(zhuǎn)換計(jì)算模式，研究利用量子計(jì)算（機(jī)）。

什么是量子？

在解釋量子的具體概念之前，我們要先了解“經(jīng)典世界”（經(jīng)典物理）與“量子世界”（量子力學(xué)）這組相對(duì)概念。

量子概念被提出之前，物理學(xué)是被經(jīng)典世界統(tǒng)治的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們?nèi)粘Ｉ钪械慕^大多數(shù)物理現(xiàn)象可以用以牛頓力學(xué)為主體的一套經(jīng)典物理學(xué)理論來(lái)精確地描述。

而當(dāng)我們探測(cè)到微觀的尺度時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)之前經(jīng)典物理學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)非常不符。幸而普朗克引入了量子概念，讓我們可以解釋微觀世界的一些物理現(xiàn)象，這就有了受量子力學(xué)規(guī)律統(tǒng)治的“量子世界”。

▲德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克

“經(jīng)典世界”的特點(diǎn)是，物體的物理量、狀態(tài)在某個(gè)時(shí)刻是完全確定的：經(jīng)典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。

但在“量子世界”中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實(shí)驗(yàn)技術(shù)無(wú)關(guān)，是量子世界的本質(zhì)特征，無(wú)法消除。

所以量子到底是什么呢？普朗克假定，光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)其能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。

“量子”是量子世界中物質(zhì)客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是超導(dǎo)體、“薛定諤貓”等宏觀尺度下的量子系統(tǒng)，它們的共同特征就是必須遵從量子力學(xué)的規(guī)律。

話說(shuō)回來(lái)，其實(shí)沒(méi)有那樣的尺度把世界分成是經(jīng)典的和量子的，這個(gè)世界本來(lái)就是量子的。在尺度變大的情況下，我們?nèi)〗疲锢砭蛣偤米兂山?jīng)典的，這時(shí)量子效應(yīng)可以完全忽略，我們才不考慮量子力學(xué)。

什么是量子計(jì)算（機(jī)）？

先來(lái)熱熱身，了解一些基本概念。

1.量子比特（quantum bit，簡(jiǎn)寫(xiě)為qubit或qbit）

在量子計(jì)算中，量子信息的單位是量子比特，也叫量子位，量子比特與經(jīng)典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

普通計(jì)算機(jī)一個(gè)比特可以表示為 0 或者 1。而量子計(jì)算機(jī)雖然也可以使用 0和 1，但一個(gè)量子比特可以同時(shí)是 0 和 1，具有不確定性。

如果把經(jīng)典比特的 0 和 1 想象為地球的南北極，在量子比特中，量子比特可以是部分北極和部分南極的疊加狀態(tài)，即無(wú)限多種組合的線性疊加態(tài)。

2.量子疊加(Quantum superposition)

經(jīng)典世界告訴我們，一個(gè)時(shí)間，比特只可能有一種狀態(tài)，過(guò)一段時(shí)間可以跑到另一種狀態(tài)，但是同一個(gè)時(shí)間只有一種狀態(tài)。

比如一座大廈有20層樓，你問(wèn)某位同學(xué)在哪兒，經(jīng)典世界一定說(shuō)他位于20層中的某一層。但是如果從量子比特的角度來(lái)看，他20種狀態(tài)都有，你問(wèn)他在哪兒，原則上說(shuō)他各種可能的態(tài)都在，20層樓他都在、而且是同時(shí)在，這就是量子世界的奇妙特性。

▲“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的就是量子疊加原理

3.量子糾纏 (Quantum entanglement)

當(dāng)兩個(gè)粒子互相糾纏時(shí)，即使距離遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。當(dāng)其中一個(gè)粒子被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的變化。

4.并行計(jì)算

經(jīng)典計(jì)算機(jī)操縱經(jīng)典比特，量子計(jì)算機(jī)就是在量子力學(xué)允許的范圍內(nèi)用量子門(mén)操縱量子比特。操縱一個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)操縱比特0和比特1兩個(gè)狀態(tài)，如果一個(gè)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)操縱n個(gè)量子比特，那么它實(shí)際上可以操縱2n個(gè)狀態(tài)，其中每個(gè)狀態(tài)都是一個(gè)n位的經(jīng)典比特。這就是量子計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算能力。

總的來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算是基于量子比特，而非現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的經(jīng)典比特，它利用量子力學(xué)理論中的量子疊加和量子糾纏效應(yīng)，具有天然的“大規(guī)模并行計(jì)算”的能力。

“量子計(jì)算機(jī)不僅僅是我們所熟悉的那種計(jì)算機(jī)的更快速版本。它是一種全新的利用自然進(jìn)行運(yùn)算的方式。”德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任Scott Aaronson指出。

為什么要進(jìn)行量子計(jì)算？

想理解這個(gè)問(wèn)題，我們不妨跟隨IBM量子實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Jerry Chow的思路，從一杯咖啡開(kāi)始。

如果我們想完整描述咖啡因分子，了解它的內(nèi)能、結(jié)構(gòu)及相互作用，了解原子如何相互配合，成為咖啡因，然后又如何提神醒腦。很遺憾，這是不可能的。

即使你準(zhǔn)備造一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片， 不停往里面堆晶體管，即使讓集體管數(shù)量等同與構(gòu)成銀河系的原子數(shù)量， 你仍然無(wú)法模擬咖啡因分子。

根本原因是構(gòu)成分子的原子和電子數(shù)量過(guò)于龐大，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)力不能及。

因而，為了突破計(jì)算機(jī)目前的局限，研發(fā)出性能無(wú)比強(qiáng)大的處理器，我們需要轉(zhuǎn)換計(jì)算模式。

其實(shí)早在1982年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼就提出了這個(gè)前所未有的挑戰(zhàn)。他的意思大概是：

“如果我們嘗試解讀和模擬自然界的分子，簡(jiǎn)直是異想天開(kāi)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)并非為這項(xiàng)挑戰(zhàn)而生，這種邏輯不對(duì)，相反，我們應(yīng)該借助一種可控且遵循量子力學(xué)定律的全新介質(zhì)?！?/p>

▲理查德·費(fèi)曼

費(fèi)曼表示，要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算并不容易。而經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年努力，這個(gè)挑戰(zhàn)被實(shí)現(xiàn)了，并將開(kāi)啟計(jì)算新時(shí)代。

未來(lái)，很多傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題將迎刃而解。我們的關(guān)注點(diǎn)，則從我們能否實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，轉(zhuǎn)入如何利用量子計(jì)算。

其中一個(gè)困難就是，由于自身?xiàng)l件的限制，量子比特必須保存在溫度極低的環(huán)境中，約零下273攝氏度，量子比特在其位置上保存的時(shí)間也非常短暫，因此量子計(jì)算意味著處理非常不穩(wěn)定和脆弱的信息。

不僅如此，量子位錯(cuò)綜復(fù)雜、變幻無(wú)常、體積微小、極難控制，及時(shí)能做到，任何的噪音、熱度和震動(dòng)也會(huì)讓研發(fā)者前功盡棄。

▲谷歌位于加州圣巴巴拉實(shí)驗(yàn)室里的量子芯片，被凍結(jié)在懸空低溫恒溫器里

總的來(lái)說(shuō)，構(gòu)建真實(shí)可用的量子系統(tǒng)有三大挑戰(zhàn)：

1.必須有量子比特來(lái)確定位置；

2.一旦確定了兩字的位置，就要保存它們；

3.將相互連接的諸多量子比特匯聚到一起。

因此谷歌剛推出的有72位量子比特的芯片是量子計(jì)算的重大進(jìn)展。[詳情見(jiàn)本次推送首條]

量子計(jì)算就像是新的“引擎”，很多人說(shuō)它會(huì)推動(dòng)第四次工業(yè)革命的到來(lái)。量子計(jì)算機(jī)一旦投入使用，哪些行業(yè)會(huì)受到顛覆性的影響，社會(huì)生活與時(shí)代發(fā)展又會(huì)出現(xiàn)怎樣的新變化，一切有待觀望。

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