量子有神功！量子计算机如何拥有巨大潜能？

量子计算是一个新兴的研究领域，科学家们利用量子力学，制造出具有革命性能力的计算机。虽然现在的量子计算机体积受限且容易出错，但未来的量子计算机可能超越世界上最强大的超级计算机，完成以前不可想象的任务！这意味着量子计算机可能会彻底改变我们的生活。

在本文中，我们将先了解普通计算机的工作原理，再深入探讨量子计算机为何潜能巨大。我们将特别关注它们强大力量的来源：微小粒子如何能同时处于多个状态？

普通计算机如何存储信息？

在我们探索量子计算的神奇世界之前，先来了解一下现在的计算机是如何存储信息的吧！计算机存储的基本单位叫做比特，每个比特可以存储一个值，要么是 0，要么是 1。多个比特可以组合成有意义的信息。例如，6 个比特可以组合成“101010”，表示数字 42。组合成百万甚至亿万比特后，就可以存储更复杂的信息，如图片、视频和电子游戏。

比特是通过一种叫做晶体管的小型电子元件存储的。晶体管就像开关，开关关上表示 0。反之，开关打开表示 1。下图简单展示了这种逻辑如何来创建比特字符串,如“101010”。现代手机里包含了数十亿个紧密排列的晶体管来存储大量复杂信息。

▲图 1 - 晶体管如何存储信息的简单示意图。每个晶体管都可以是“开”（绿色）或“关”（红色）。如果晶体管是“开”，就表示 1；如果是“关”，就表示 0。在这里，我们用六个晶体管来存储二进制字符串“101010”，这代表数字 42。

总结一下，现有的计算机通过数十亿个晶体管存储信息，每个晶体管存储一个比特（0 或 1），这些比特组合起来可以表示复杂信息。从历史的角度看，计算机发展的趋势遵循摩尔定律，即芯片上的晶体管数量大约每两年翻一倍。现代芯片可以在每平方毫米中容纳超过一亿个晶体管，但我们可能已经接近晶体管密度的物理极限，这也引发了关于摩尔定律是否“过时”的激烈讨论。

什么是“量子”计算机？

量子计算机是一种利用量子粒子的独特行为进行计算的设备。那么，“量子”这个词到底从哪里来，是什么意思呢？“量子”这一名称来自量子力学，它是一种描述微观世界的科学理论。量子力学与量子计算的关联在于，它告诉我们粒子是如何运动和相互作用的。量子力学描述了一个非常奇妙的世界，在这里，粒子可以在空间中扩展开来，同时处于不同的状态，还可以像海浪一样相互干扰[1]。量子世界的行为与我们日常生活中看到的、可预测的行为非常不同！虽然量子力学描述的粒子行为有点出人意料，但它是科学史上最精确的理论之一[2]。

量子力学最适合描述微小粒子的行为，比如电子、光子（光的粒子）和原子核，它们都展现出量子的行为，是典型的量子粒子。那么，这些粒子有哪些特性可以帮助我们制造强大的量子计算机呢？其中一个非常重要的特性就是叠加态。这种特性本质上能让量子粒子存储比晶体管更多的信息。

量子比特与薛定谔的猫之谜

量子计算机和普通计算机的主要区别在于，它们使用量子粒子而不是晶体管来存储信息、进行计算。就像我们把晶体管存储的信息称为“比特”一样，我们把量子粒子存储的信息称为“量子比特”或“量子位”。要理解为什么量子比特比普通比特更强大，我们首先要理解量子力学中的“叠加态”。

“叠加”这个词听起来可能有点吓人，但它的意思其实很简单，就是“同时处于多种状态”。虽然听起来很奇怪，但量子粒子确实可以处于各种叠加状态，比如它们可以同时在多个位置上，也可以在不同方向上运动。可以试着把粒子想象成在空间中扩散的波，而不是点状的粒子。

通过物理学上最知名的“猫”的故事，就能轻松理解量子叠加：这个故事是奥地利物理学家厄温·薛定谔在1935年想出来的[3]。故事的开头是把一只猫放进一个封闭的盒子里，同时放入一个放射性元素和一个毒药瓶。如果放射性物质随机发射出一个粒子，就会触发一个锤子打碎毒药瓶，从导致猫死亡（见图2）。你不需要在意毒药瓶是如何打碎的，只要知道这是一个无法提前预测的随机过程就行了。

▲图 2 - 薛定谔猫的思想实验。

在这个实验中，放射性元素（一个带有黑色放射性标志的小蓝方块）可能随机发射出辐射。如果辐射发射出来，就会触发一系列反应，导致绿色毒药释放出来。在我们打开盒子之前，这只猫（假设中）处于“既死又活”的叠加状态。这个故事有点荒谬，但它是一个很好的类比，说明了量子粒子的行为——它们可以同时处于多种状态。

如果盒子保持密封，那么我们没有任何方法知道毒药是否已经释放，猫是否死去还是活着。薛定谔认为，在打开盒子之前，我们必须假设猫既是活的又是死的。换句话说，猫处于一种“既死又活”的叠加状态。然而，一旦我们打开盒子并观察里面的情况，这种叠加状态就会消失，我们就能确切地知道猫的状态。

虽然认为猫同时既死又活听起来确实很荒谬，但这个故事是一个非常好的类比，说明量子力学如何描述粒子的行为。例如，如果我们不去测量粒子的状态，它可以真的处于多种状态的叠加之中。但是一旦我们测量它的状态，这种叠加就会消失，它会“坍缩”到其中一种可能的状态。简单来说，粒子在叠加中可以保存大量信息，但当我们试图测量这种叠加状态时，我们只能得到其中一部分信息。

量子计算：倍增的力量

量子力学告诉我们，粒子有一种叫做自旋的内禀属性，自旋可以指向上方或下方[1]。为了便于理解，我们可以假设“自旋向上”表示数值1，而“自旋向下”表示数值0。所以，你可以看到，就像晶体管一样，量子粒子也可以存储信息（这里是量子比特）。我们还可以把多个量子粒子组合在一起，形成信息串。量子力学告诉我们，量子粒子可以同时处于“自旋向上”和“自旋向下”的叠加状态——也就是说，量子位可以同时存储数值0和1，而这对晶体管来说是不可能的（见图3）。

▲图 3 - 量子位同时处于1和0叠加状态的简单示意图

图中电子（用橙色圆圈表示）上的箭头指向电子的自旋方向。自旋可以是向上（值为1）或向下（值为0）。由于量子力学的叠加态原理，电子可以同时处于自旋向上和自旋向下的状态，因此可以同时存储1和0的值。

如果我们把两个量子位组合在一起，这个2量子位系统可以同时存储“00”、“01”、“10”和“11”（四种态），而2位的晶体管系统在同一时间只能存储其中一个状态。如果我们增加到3个量子位，就能同时存储“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”和“111”八种状态！实际上，如果我们组合n个量子位，那么可以同时存储2的n次方个状态。如果我们有50个量子位，就可以在同一时间存储超过一千万亿个状态——这让量子计算机可能比拥有数万亿个晶体管的超级计算机还能强大。这就是“倍增”的力量！不过，当我们测量量子计算机的状态时，这种叠加会消失，我们只能一次获得少量信息。这就像从一个大拼图中只选出一块。设计量子算法时，必须考虑到这一点。关键是要构建一种有效的量子算法，在叠加状态中检查所有可能性，并有策略地提取尽可能多的信息。

量子计算机正在逐步实现

今天，我们正处于量子计算的“中等规模含噪量子（NISQ）”时代，这意味着现有的量子计算机体积受限且容易出现较大错误。目前，大多数现有的量子计算机还不能实际应用[4]。不过，全世界的研究人员和创新企业正在努力，逐步开发更大、有防错功能的量子计算机。令人惊讶的是，在2023年，科学家们推出了首批拥有1000个量子位的计算机，但要降低这些机器的错误率还有很长的路要走[5]。尽管量子计算的未来仍然充满不确定性，但量子技术的进步可能为人类通信和信息处理开辟全新的前景。同时也带来一系列的挑战，例如确保这种强大的技术的使用是否审慎负责。但有一点似乎可以确定：量子计算将改变我们所生活的世界。

术语表

比特：计算机能存储的最小数据单位。每个比特存储一个0或1的数值。

晶体管：一种微型电子装置，作用类似开关。每个晶体管可以存储一个比特。

摩尔定律：观察到每两年微芯片中的晶体管数量会翻倍的现象。

量子粒子：物质和能量的最小单位，由量子力学描述。比如电子和光子。

量子力学：描述自然界微观行为的物理学领域，告诉我们粒子如何运动和相互作用。

叠加态：指同时处于多种状态的特性。

量子位：量子信息的单位。每个量子位可以同时存储0和1的叠加状态。

自旋：指“自旋角动量”，是粒子的一个内在特性，自旋方向可以向上或向下。

参考文献

[1] Griffiths, D. J., and Schroeter, D. F. 2018. Introduction to Quantum Mechanics, 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press (2018).

[2] Renner, R., and Nurgalieva, N. 2021. Testing quantum theory with thought experiments. Contemp. Phys. 61:193–216. doi: 10.1080/00107514.2021.1880075

[3] Schrödinger, E. 1983. “The present situation in quantum mechanics: A translation of Schrödinger’s “cat paradox paper”, in Quantum Theory and Measurement”, eds. J. A. Wheeler, W. H. Zurek (Princeton: Princeton University Press), 152–167.

[4] Chen, S., Cotler, J., Huang, H. Y., and Li, J. 2023. The complexity of NISQ. Nat. Commun. 14:6001. doi: 10.1038/s41467-023-41217-6

[5] Preskill, J. 2018. Quantum computing in the NISQ era and beyond. Quantum 2:79. doi: 10.22331/q-2018-08-06-79

本文作者

乔希·格林（Josh Green）

乔希·格林是澳大利亚西澳大学计算物理学的荣誉学生，热爱量子理论和多体量子系统。他的研究集中在如何将信息编码到量子计算机的量子态中。乔希还是高中和大学生的辅导老师，参与“量子女孩计划”项目，支持澳大利亚的量子科学教育。乔希闲暇时喜欢冲浪。联系方式：23174802@student.uwa.edu.au

王静波（Jingbo Wang）

王静波教授是西澳大学量子信息、仿真与算法研究中心的主任。她带领的研究团队在量子计算机的软件开发方面取得了开创性的进展。王教授还是“量子女孩计划”的联合主任，该项目旨在全澳推广量子计算教育，让年轻一代接触这一前沿科技。

https://kids.frontiersin.org/articles/10.3389/frym.2024.1335355#KC8a

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