最近大火的量子計算到底是什么？來了解一下。

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關鍵信息：

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

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

3.為了突破計算機目前的局限，研發(fā)出性能無比強大的處理器，科學家們轉換計算模式，研究利用量子計算（機）。

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）這組相對概念。

量子概念被提出之前，物理學是被經(jīng)典世界統(tǒng)治的。簡單地說，我們日常生活中的絕大多數(shù)物理現(xiàn)象可以用以牛頓力學為主體的一套經(jīng)典物理學理論來精確地描述。

而當我們探測到微觀的尺度時，會發(fā)現(xiàn)之前經(jīng)典物理學理論與現(xiàn)實非常不符。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規(guī)律統(tǒng)治的“量子世界”。

▲德國物理學家馬克斯·普朗克

“經(jīng)典世界”的特點是，物體的物理量、狀態(tài)在某個時刻是完全確定的：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驗技術無關，是量子世界的本質特征，無法消除。

所以量子到底是什么呢？普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續(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的規(guī)律。

話說回來，其實沒有那樣的尺度把世界分成是經(jīng)典的和量子的，這個世界本來就是量子的。在尺度變大的情況下，我們取近似，物理就剛好變成經(jīng)典的，這時量子效應可以完全忽略，我們才不考慮量子力學。

什么是量子計算（機）？

先來熱熱身，了解一些基本概念。

1.量子比特（quantum bit，簡寫為qubit或qbit）

在量子計算中，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。

普通計算機一個比特可以表示為 0 或者 1。而量子計算機雖然也可以使用 0和 1，但一個量子比特可以同時是 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，一個時間，比特只可能有一種狀態(tài)，過一段時間可以跑到另一種狀態(tài)，但是同一個時間只有一種狀態(tài)。

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

▲“薛定諤的貓”思想實驗體現(xiàn)的就是量子疊加原理

3.量子糾纏 (Quantum entanglement)

當兩個粒子互相糾纏時，即使距離遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態(tài)。當其中一個粒子被操作（例如量子測量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一個也會即刻發(fā)生相應的變化。

4.并行計算

經(jīng)典計算機操縱經(jīng)典比特，量子計算機就是在量子力學允許的范圍內用量子門操縱量子比特。操縱一個量子比特的量子計算機可以同時操縱比特0和比特1兩個狀態(tài)，如果一個計算機可以同時操縱n個量子比特，那么它實際上可以操縱2n個狀態(tài)，其中每個狀態(tài)都是一個n位的經(jīng)典比特。這就是量子計算機的并行計算能力。

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

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

為什么要進行量子計算？

想理解這個問題，我們不妨跟隨IBM量子實驗室的科學家Jerry Chow的思路，從一杯咖啡開始。

如果我們想完整描述咖啡因分子，了解它的內能、結構及相互作用，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。

即使你準備造一個計算機芯片， 不停往里面堆晶體管，即使讓集體管數(shù)量等同與構成銀河系的原子數(shù)量， 你仍然無法模擬咖啡因分子。

根本原因是構成分子的原子和電子數(shù)量過于龐大，傳統(tǒng)計算機力不能及。

因而，為了突破計算機目前的局限，研發(fā)出性能無比強大的處理器，我們需要轉換計算模式。

其實早在1982年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼就提出了這個前所未有的挑戰(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，簡直是異想天開，因為傳統(tǒng)計算機并非為這項挑戰(zhàn)而生，這種邏輯不對，相反，我們應該借助一種可控且遵循量子力學定律的全新介質?！?/p>

▲理查德·費曼

費曼表示，要實現(xiàn)量子計算并不容易。而經(jīng)過科學家們多年努力，這個挑戰(zhàn)被實現(xiàn)了，并將開啟計算新時代。

未來，很多傳統(tǒng)計算機無法解決的問題將迎刃而解。我們的關注點，則從我們能否實現(xiàn)量子計算，轉入如何利用量子計算。

其中一個困難就是，由于自身條件的限制，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間也非常短暫，因此量子計算意味著處理非常不穩(wěn)定和脆弱的信息。

不僅如此，量子位錯綜復雜、變幻無常、體積微小、極難控制，及時能做到，任何的噪音、熱度和震動也會讓研發(fā)者前功盡棄。

▲谷歌位于加州圣巴巴拉實驗室里的量子芯片，被凍結在懸空低溫恒溫器里

總的來說，構建真實可用的量子系統(tǒng)有三大挑戰(zhàn)：

1.必須有量子比特來確定位置；

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算的重大進展。[詳情見本次推送首條]

量子計算就像是新的“引擎”，很多人說它會推動第四次工業(yè)革命的到來。量子計算機一旦投入使用，哪些行業(yè)會受到顛覆性的影響，社會生活與時代發(fā)展又會出現(xiàn)怎樣的新變化，一切有待觀望。

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