帶你了解量子計算

今天我們聊聊熱門話題，量子計算機。與量子計算機相對的就是現在大行其道的經典計算機。我們知道，在經典計算機中資訊是以0和1的形式流通的，這就是所謂的比特。舉例子，按照二進制的套路，那麼數字0-10就分别轉化為00，01，10，11，100，101，110，111，1000，1001和1010。如果每個比特現在不用數字了，而是改用一個粒子來傳遞的話，那麼就可以大幅度推進計算機的微型化，這就是量子計算機。

不過問題來了，我們怎樣才能用一個粒子來表示0或1呢？科學家發現電子有一種被稱為“自旋”的屬性。這使得它們就像是一些微型的指南針。如果我們用一塊強力磁體測量一個粒子的自旋，就會發現自旋隻有兩種狀态，分别是三和下。當然這個上和下他隻是相對的。于是利用這一特性，我們就可以指定一個自旋向上的粒子代表1，而另一個自旋向下的粒子，則代表0。這便是量子計算機的原理。可見原理是很簡單的。

那麼人麼費了這麼多年勁直到現在量子計算機還是不溫不火，也就隻有IBM公司和我們中國中科大的潘建偉教授團隊獲得了些許突破性進展。到底是為什麼困難阻礙着量子計算機的發展呢？事實上像是電子、原子這些組成物質的粒子在單獨存在時。他們是會遵守量子力學中那些奇特的定律的。比如說，當我們不去打擾這些小粒子時，他們的自旋就處于非常奇特的狀态，既指向上，也指向下。兩種狀态，是同時存在的。我們叫這種現象稱之為量子疊加态。這種特性不僅關系到自旋，也關系到我們可能利用到的其他屬性，比如波粒二象性就是典型的代表之一。隻有在人們測量時這些粒子才會選擇一個比較正常的狀态。這個選擇對于粒子來說完全是随機的，這種現象被稱為“退相幹”。

由此，我們便看出問題所在了。當你向電腦輸入一個1時。運載這個1的粒子卻表現出了一個莫名其妙的狀态，既表示1也表示0，當你想要确定他的值時，他就随便給你一個答案敷衍了事。也就是說，這個資訊會變得有無限可能，甚至變得和原先完全相反。既然如此，量子計算機看來就是死路一條了。那麼我們為什麼還要投入重金去研究并發展量子計算機呢？這是因為量子計算機可以同時進行多個運算，專業說法叫并行計算，計算能力極其強大。具體的套路是這樣的，你向電腦輸入一系列普通的比特，他們可以代表一些需要相乘的數字，比如說，現在你輸入四個量子比特，由于量子是處于疊加态的。前兩個量子比特可以代表00，01，10，11也即是數字0123中的一個數字。而随後兩個量子比特，也同樣代表，0123，中的一個數字。接下來，讓前後兩個數字相乘，由于每個量子比特都同時表示0和1。是以我們需要機器同時進行16次運算來對應0和1的16種可能組合。0000就代表0*0。0110就代表，1*2，1010，就代表2*2等等。也就是說，此時的計算機就被分成了16台不同的機器。一台機器收到的是0000，另一台收到的是0110，第三台收到的是1010，以此類推直到1111。一次輸入四個量子比特，計算機就能同時進行0到3之間，任意兩個數字的16種可能的乘法運算。相比于經典計算機，量子計算機在這個方面顯然是呈現吊打形式的。

接下來該幹什麼呢？當然是輸出了。下面就是見證奇迹的時刻，我們可以得到7個結果，分别是0000，0001，0010，0011，0100。0110，1001，也就是0，1，2，3，4，6和9。我們在讀取這些量子比特時，會迫使它們選擇這7個中的一個确定的狀态。此時，如果列一個表格的話，這個表格在音頻附屬文稿中也有，就好比在這個面有7種可能結果的表格中，随機選取一個答案。你會發現，我們有十六分之七的可能選擇0，十六分之二的可能選中，2,3或6。隻有十六分之一的可能選中1,4或9。當我們完成了所有可能結果的測算後，就會發現2和3在16個結果中隻出現了兩次，也就是說隻有2×1和1×2才能讀出2。那麼對于3的情況也是一樣的。通過這次測算，我們找到了素數2和3。當然了，這算不上什麼了不起的成就。但是量子計算機可以使用同樣的方法來測算更為巨大的數字。

不用證明，387090838105這個數字是不是素數，經典計算機需要進行700億次的乘法運算，700億次，什麼概念？現在世界上運算能力最強的天河二号超級計算機，它的運算速度也隻有5.49億億次，對于普通計算機來講，就更是難以完成的任務。動辄就是有上百萬時間。如果使用一台隻包含幾十個量子比特的量子計算機的話，隻需要很短的時間，答案就會從天而降。量子計算機之是以可以完成這些任務，是因為對于n個量子比特來說，那就是2的n次方個可能組合，十個量子比特就是1024種可能。100個量子比特，那就就不知道高到哪裡去了。2的100次方運算除以天河二号的每一秒5.49億億次，就意味着天河二号需要持續工作74萬年。量子計算機的巨大實力在此可見一斑。既然量子計算機擁有如此強的運算能力，那麼久就趕緊生産才是啊。問題是，制造這樣一台量子計算機是極其困難的。剛才我們說了。并行計算的長處來自于每一個量子比特同時表示0和1的能力。這樣就必須保證在整個運算過程中，量子比特始終處于疊加态。而量子比特和外界的任何接觸，都會使它選擇某個确定的狀态，進而摧毀疊加态。唯一的辦法就是讓他們嚴格隔離，并且操作使用時萬分小心。

目前制造出的量子計算機，主要由幾個被冷卻到接近絕對0度的原子組成。它們或者懸浮在一個磁場中，或是被隔離在富勒烯中。亦或是集中在一個特别設計的分子中。科學家使用微波來操縱這些原子，使它們輕輕移動，而不必選擇某一狀态。然後，用核磁共振儀來讀取他們的自旋狀态。可想而知，這樣一種操作方式，量子計算機我們目前是不可能給它放到你面前的辦公桌上的。

量子計算機存在的另一個缺陷是：對于那些經典計算機可以完成的一些很基本的運算，表現的卻并不是很擅長。原因是這些運算，對于精巧的量子比特來說變化的太劇烈。比如說，無論你輸入1*12，3*4，,2*6，4*3，6*2，還是12*1，你的計算機隻會顯示出結果12。這樣一來，他就丢失了之前輸入了兩個數字。在對計算機領域，資料丢失也就意味着一些比特被完全摧毀，并以熱量的形式在機器中消散。如果一個量子比特，也遇到這種情況的話，它就會向它運作的機器散發熱量。也就是說，它和它的外界環境産生了互相作用。由此一來疊加狀态也就被摧毀了，量子計算機就毫無優勢可言了。由于有這種複雜情況的存在，為量子計算機設計一個像乘法運算這樣的基本任務，程式就要比經典計算機困難的多。由此得到的結論就是目前的量子計算機不僅體積巨大，而且他甚至連一台普通電腦的功能都很難勝任。

現階段量子計算機到底會起到什麼作用呢？接下來就是重頭戲了啊，如果我們操作得當的話，我們還是以四個量子比特為例。結果我們都知道了。我們會得到一個16個計算結果的疊加。現在我們就該讀取這些量子比特了。可惜并不是我們并不能一下就能讀到16個結果。因為隻要你一讀取，就意味着你就和它們産生互相作用，迫使他們選擇一個确定的狀态。是以，你就隻能得到一個答案。一個在所有可能的結果中随機選擇而得出的答案。這個答案看起來是無濟于事的。是以，我們必須讓量子計算機多運算幾次來得到其他一些可能的結果，這樣才算是完成了一個完整的任務。但是這樣一來的話，如果我們為了得到所有可能的結果，而又重複運作同樣多的次數，那麼對于所有可能組合同時進行運算還有什麼意義呢？這不是和經典計算機，把所有可能的計算挨個運作一下是一樣的嗎？

其實，完全不一樣。因為通常情況下可能得出的結果數量，要遠遠少于輸入時理論上的可能組合數。比如所有和0相乘的結果，都隻有一個，那就是0。這樣我們就可以更加快速的完成這一輪運算。可見，量子計算機所做的工作和預測選舉結果是非常相近的。比如說美國有1億多選民。那麼民意測驗機構要想預測總統選舉結果，他該怎麼辦呢？顯然不會是把每個人都問一遍，這不瘋了麼。但是，由于實際上隻存在兩位總統候選人。這樣，民意測驗機構，隻需要詢問1億選民中的幾萬人就可以對選舉結果做出一個相對準确的預測，這就是量子計算機的工作。對于一項計算的結果進行預測，研究該計算的總體特性，而不是給出某一确定運算的結果。

當然了，我們也可以使用目前的計算機來進行這樣的測算。比如說如果要研究某一運算和計算的整體屬性。第一步，就是計算出所有可能的結果。第二部是測算這些結果出現的規律，并找出有用的資訊。如果運算存在着數量驚人的可能組合的話，那麼對于一台經典計算機來說，完成步驟一可能就需要他連續運作數百萬年。這是因為他必須一個個的輪流運算。随後進行的第二部運算，花費的時間可能會短一些，但很多計算機連步驟一都完成不了，然而還談什麼第二部呢。如果使用量子計算的話，雖然步驟二的時間，可能不會縮短，但步驟一幾乎可以瞬間完成，這正是，量子計算機的優勢所在。

不過是騾子是馬，還得拉出來溜溜。你自己悶聲發大财，不行，還必須應用到實際中去推動曆史的程序。這樣，量子計算機才真正算得上是偉大創造。問他有什麼用呢？目前人們主要考慮到兩種應用。第一種是應用于分子模拟，什麼是分子模拟呢？我們知道，即便是最小的分子，也是由好幾個量子級的粒子構成的。這其中包括電子質子和中子等。每個粒子都影響着其他粒子，而且，每個粒子也都有可能處于多種狀态。計算這個巨大的組合的所有運動狀态，也就是上面說到的步驟一，在經典計算機上是不可能完成的。而量子計算機就可以對此應對自如。接下來，我們隻需要根據這些結果進行測算，就可以發現相關的答案。如分子被加熱後的狀态，或者是和另一個分子同時存在時的狀态。

這樣一來，如果被模拟的分子是一種藥品，我們就可以虛拟的預測出它的功效。同樣的，我們也可以研究出某種化學品的性質，或者某種合金的強度。而根本不需要把他們制造出來。還有，我們說慈力的時候，怎樣的組合能夠獲得實力更強的磁體，人們是沒有辦法從原子層面進行推導，隻能依靠經驗。但有了量子計算機後，一切都會大不同。我們将真正意義上從分子原子的層面了解到材料的性質。相信化學家和生物學家對此一定心動不已。

量子計算機的第二個應用這是密碼。比如最簡單的密碼體系，就是調換字母，比如把a換成b把b換成c。I love有這句話就變成了，gmowfzpv。對于解碼的人來說，他是不知道規律的。可能是把a換成x或者m，完全不是那種按順序一一對應的關系。是以為了給它解碼，我們就得把幾百億種可能的調換方法，一個一個的計算出來。然後，在所有的計算結果中找出包含英語單詞的結果。經典計算機，就這樣簡單的一句話，可能就有工作幾年時間。而一台包含十幾個量子比特的量子計算機，在一瞬間就可以完成你需要研究的所有調換。事實上，我們目前所有用來保護網頁和商業秘密的大部分密碼，在這樣一台機器面前，至多隻能堅持幾分鐘時間。等到它真正投入使用時，也許現代社會的整個協作體系，都将發生深刻的變革。至于這究竟是一個怎樣的未來，恐怕我們還不得而知。可以确定的是一場新的革命，即将爆發，就讓我們拭目以待吧。

原文釋出時間為：2018-03-21

本文作者：科學社

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