揭开量子计算机的神秘面纱（带你认识量子计算机）

揭开量子计算机的神秘面纱（带你认识量子计算机）△ 量子计算机对数据安全造成了巨大的威胁。（图片来源：BGR）基于这些打破传统的量子规则，量子计算机的想法就此孕育而生，它以一种全新的方式处理信息。使它们的运算速度在某些方面相比经典计算机要呈指数增加。- Q1 - 什么是量子计算机？我们正在使用的计算机（为了便于区分，下面我都称之为传统计算机）的操作严格遵守着逻辑法则。但是微小的量子物体，比如电子、或光子等，可以打破这些规则。

1981年，理论物理国际期刊收到了一篇题为《利用计算机模拟物理学》的论文【1】：

△ 费恩曼在1981年提交的论文中提到了量子计算机。（图片来源：Feynman）

这篇论文的作者是诺贝尔物理学奖得主费恩曼，他在论文中首次提到了一种全新的计算机——量子计算机（Quantum Computer）。

今天，量子计算机早已经成为了热词，在许多前沿研究的发现中，也经常会看到“该发现或可应用于量子计算机”。许多人都知道它是下一代计算机，但却不知道它背后的基本原理。尤其是“量子”二字，使它变得更加的神秘。下面我们就通过十个问题来揭开它神秘的面纱。

- Q1 -

什么是量子计算机？

我们正在使用的计算机（为了便于区分，下面我都称之为传统计算机）的操作严格遵守着逻辑法则。但是微小的量子物体，比如电子、或光子等，可以打破这些规则。

基于这些打破传统的量子规则，量子计算机的想法就此孕育而生，它以一种全新的方式处理信息。使它们的运算速度在某些方面相比经典计算机要呈指数增加。

△ 量子计算机对数据安全造成了巨大的威胁。（图片来源：BGR）

举个例子，量子计算机可以轻而易举的就破解信息安全机制。现在你查看的邮件和银行数据都是由安全机密系统所保护着的，借由你给所有使用者不同组的公开密匙来加密只有你能解密的信息。问题是拿到公开钥匙的人就可以计算出你的密匙，幸运的是使用传统计算机完成这个任务需要耗时数年的运算，不断地尝试错误才有办法解开。但通过量子计算机，迅速破解信用卡、国家机密和其它机密资料都不在话下。

- Q2 -

量子计算机可以取代传统计算机吗？

当我们说量子计算机的处理速度要比传统计算机快许多的时候，的确，这很容易让人误解如果科学家成功研制出量子计算机，是否就可以取代现在我们所使用的传统计算机。

△ 量子计算机并不是完全“量子”的，它仍需要一堆电子设备来完成基本工作。（图片来源：Naoya Fujishiro）

而事实是，它并不是在任何情况下都更加快，它们只有在特定的任务中才会表现的非常出色。如果你只是想看高清的影片、浏览网页或处理文件，量子计算机并不会带来什么进步。量子计算机的处理速度更快的魔法并不在于它处理各个步骤的速度加快了，其关键在于它减少了处理步骤的数量（下文有更多讨论），不过只有在特定的计算中才是这样。所以，它无法取代传统计算机。

- Q3 -

那量子计算机可以用来干嘛？

量子计算机应该会被大量的应用在政府组织、研发公司和大学之中，用以解决目前传统计算机无法解决的问题。

△ 1981年，费恩曼在他的论文中首次提出了量子计算机，并且可以用于模拟量子系统。（图片来源：Feynman）

当费恩曼提出量子计算机时，就想到了它的第一个实际用途：模拟量子系统。为什么不用量子计算机来模拟量子物理呢？这是一个绝妙的想法。至少它会对化学和生物学产生重大影响。例如，化学家可以准确地模拟药物间的相互作用，而生物学家则可以研究蛋白质折叠的所有可能方式，以及它们之间的作用等。

虽然起初对量子计算机的研究纯粹只是出于学术上的好奇，但到了1994年，贝尔实验室的数学家彼得·肖尔（Peter Shor）提出了大数因数分解的算法【2】（大数因素分解是指大数字的质因数分解，如下图中的例子），才激发了人们对量子计算机的研究热情和兴趣。一个非常大的数字，传统计算机可能需要数十亿年的时间将它分解，但通过肖尔的方法只需要几个小时就可以解开。

△ 15的质因数是3×5，91的质因数是7×13，一个具有232位的数字的质因数又是多少？（图片来源：Jose-Luis Olivares/MIT）

量子计算机在识别数据的模式上也有巨大的优势，这对机器学习问题很有用，比如可以识别在图像中的不同物体。它们也可以被用以建立预测未来的模型，如长期的天气预测。

这些只是一些可以预见的用途，但最终，量子计算机的能力是无法被预测的。回到1943年，IBM公司的总裁托马斯·沃森宣称：“我认为全世界只需要差不多五台计算机。” 现在家家户户可能都有五台。

而量子计算机的潜力，也是无法想象的。

- Q4 -

量子计算机是如何运作的？

传统计算机中的芯片包含模组，模组包含逻辑门，逻辑门包含晶体管。晶体管代表着计算机的处理器里一个最简单的形态。简单说是个可以阻挡、通过信息的开关。我们用 “开”，存储数字 1，用关，存储数字 0 。每个 0 或 1 代表一个二进制数字（即比特）。比特代表着信息的最小单位。

△ 比特只能储存 1 或者 0 ，而量子比特可以同时储存多个值。（图片来源：https://universe-review.ca/R13-11-QuantumComputing.htm）

而量子计算机用来储存数据的对象是“量子比特”，它可以储存 0 或 1。但疯狂的是，量子比特也能达到混合状态，称之为“叠加态”。也就是说，量子比特能同时存储 1 或 0 或者既是 1 又是 0，它代表着 0 和 1 之间所有可能的叠加状态。这种模糊性——可以同时“是”和“不是”——正是量子计算机的独特魅力。

虽然你无法预测量子比特会处于哪个状态，但当你测量它的瞬间，它将会坍缩成一个固定的状态。

- Q5 -

量子叠加态的性质是如何改变游戏规则的？

传统计算机和量子计算机的根本区别在于它们解决问题的方式。

传统计算机解决一个问题的方式就类似于你试图逃离一个迷宫——尝试所有可能的走道，途中会遇到死路，直到你最终找到出口。而叠加态的魔力则在于，它允许量子计算机在同一时间尝试所有的路径，也就是说，它会迅速的找到一条捷径。

传统计算机中的两个比特可以有四种不同的组合（即 00、01、10或11），但它们每次只能处于其中的一个状态。这就限制了计算机的处理速度，就好像在迷宫中要尝试一个个走道。

△ 四个比特有16种不同的组合，但一次只能代表其中的一个。（图片来源：Kurzgesagt ）

在量子计算机中，两个量子比特同样也有四种态（00、01、10或11）。不同的是，由于叠加态，两个量子比特可以同时处于这四种状态。有点像四台传统计算机同时并行工作。

如果在传统计算机中增加更多的比特，它依旧只能在一个时间内处理一个态。但是当你增加量子比特时，量子计算机的能力就会以指数式增长。从数学上来说，如果有“n”个量子比特，就可以同时代表2的n次方个态。

在一个著名的传说中，国际象棋的发明者印度人塞萨（Sessa）向他的国王请求赏赐，他说，希望因为发明国际象棋棋盘的第一个格而得到一粒米，因为第二个格得到两粒米，因为第三格得到四粒米，如此在每后一个格都增加一倍的米量。国王欣然答允，事后才意识到即使整个国库的米也无法填满整个棋盘啊！这便是指数级增长的力量。

△ 20个量子比特就可以平行存储约100万个数值。（图片来源：Kurzgesagt ）

就像上面的每一个格增加一倍的米量，每一个额外的量子比特都把处理能力翻倍。三个量子比特可以同时代表8（= 2³）种状态；四个量子比特则可以同时代表16（=2⁴）种状态。64个呢？你会得到18 446 744 073 709 600 000（=2⁶⁴）的可能！

虽然64个比特也代表了2⁶⁴种状态，但它一次只能代表其中一种。要循环所有这些组合，一台现代的个人计算机需要400年的时间。

所有这些都体现出了量子计算机的优越性。虽然目前它无法取代传统计算机，但对于传统计算机而言“几乎不可能的任务”，量子计算机都可以解决。

- Q6 -

除了量子叠加态，还有其它重要性质吗？

但为了得到指数式的计算速度，所有的量子比特都必须通过一种叫做“量子纠缠”的过程联系在一起。爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用”（详细讨论可阅读《宇宙贝尔实验》）。

△ 纠缠的两个粒子。起初两个粒子处于自旋向上或向下的状态，一旦知道了其中一个自旋状态，我们就立即知道另一个的自旋状态，无论相距多远。（图片来源：Jen Christiansen）

举个例子，在上图中，起初被纠缠的两个粒子都处于自旋向上或向下的叠加态。一旦我们通过测量知道了第一个粒子的自旋是向上的，那么第二个粒子的自旋肯定向下，即使它们相隔宇宙的两端。当有多个量子比特被纠缠的时候，对其中的一个量子比特的操作就会瞬时影响所有其它的量子比特，就意味着空前的并行运算能力。

△ 巧妙的利用量子叠加态和纠缠的性质，量子计算机的效率相比传统计算机将会是指数式的成长。（图片来源：Kurzgesagt ）

- Q7 -

要如何制造量子比特？

科学家已经掌握一些方法来制造量子比特。例如，一个单一的光子就是一种量子比特，0 和 1 可能存在的状态就像是光子横向或纵向的偏振，在量子世界，光子可以同时表现出所有的偏振状态。直到你把一个光子送到滤光器，它必须决定自己是纵向或横向偏振。

△ 处于叠加态的光子。直到通过一个滤光器，才会决定自己的偏振状态。（图片来源：Kurzgesagt）

一个原子核也是一种量子比特。它的磁矩（它的“自旋”）方向可以指向不同的方向，在强磁场下，它可以向上（代表1）或向下（代表0）。新南威尔士大学的物理学家Michelle Simmons领导的一个小组通过将一个磷原子嵌入到硅晶格中，成功地制造了单个原子量子比特【3】。

△ 三种制造硅量子比特的方法，Simmons的团队采用了第一种：将磷原子嵌入硅。（图片来源：COSMOS MAGAZINE / UNSW）

另一个方法是将原子中的电子剥去，使它成为离子。接着可以利用电磁场将离子悬空，发射激光脉冲改变它的状态。麻省理工大学的研究人员就利用5个困在离子阱中的原子制造出了一台量子计算机，并且成功地在每个原子上实现肖尔算法，对15进行正确的质因数分解【4】。

此外，超导线路中的电磁振荡也可以用来作为量子比特。这些作为量子比特的线路可以取值 0（没有光子通过）或 1（有微波光子）。谷歌研发的量子计算机就是采用该方案。

固体中的电子自旋也可以使种量子比特，这种制造方法是利用固态材料中的缺陷，比如在金刚石中的碳原子。如果把晶格中的其中一个碳原子换成氮原子，并消除了一个相邻的原子，就会产生一个氮的空穴。这个空穴就是所谓的氮-空位（NV）中心。NV中心和周围邻近的氮原子都成为了量子比特，它们的自旋状态可以代表0和1。

△ 当量子比特不断增加时，它就越难以保持量子的性质。为解决这个问题，科学家提出的方案称为“量子计算机的模块化”。通过建立小型的量子计算机，再利用特殊的方法将它们联系成为有使用价值的大型量子计算机。图中显示的是利用三种不同类型的量子比特来构建量子计算机模块，模块之间用光子作联接。（图片来源：Jen Christiansen）

- Q8 -

如何从量子比特中读取信息？

举个简单的例子，假设你刚拿到一台64量子比特的量子计算，并进行第一个次运行。这64个量子比特都处于叠加态之中，就好比是在桌面上的64个硬币刚好处于立住不倒的状态。这总共有2⁶⁴种可能都处于不定的状态。但你知道其中有一个状态是正确答案。但究竟是哪个？

问题是，读取量子比特会导致叠加态坍缩，就好比是你用拳头往布满立住硬币的桌上一锤。

这时，量子算法（比如肖尔的算法）就派上用场，它会加载量子比特往正确的一面倾倒，给出对的答案。

- Q9 -

已经研制出量子计算机了吗？

没有。目前大部分工作都停留在研究阶段，科学家的目标是制备一定数量的量子比特（至少需要数千或上百万的量子比特才能有实用价值），并让它们结合起来成为可储存和可操作的量子处理器。例如，2016年的时候，谷歌的研究人员制造了9个量子比特的量子计算机【5】。

△ D-Wave 2000Q。（图片来源：D-Wave）

目前，在所有量子计算机的研发中，D-Wave似乎走在了前列。在上个月他们升级了最新的量子计算机，称为2000Q系统【6】。或许你已经从名字中猜到，这次他们的量子计算机包含了2000个量子比特，是之前的两倍。D-Wave在解决最优化问题上表现的相当出色，比如安排最优化的飞机航线以获得最大利益。但是大多数物理学家都怀疑D-Wave是否制造了一台真正意义上的量子计算机。

另一方面，2016年12月时，英特尔公司宣布了他们在超纯硅片上构建了多位的量子比特。许多人看好他们所使用的方法能够更快的扩展量子比特位【7】。

- Q10 -

我们遇到的主要困难是什么？

尽管在理论上我们知道量子计算机会是什么样的， 但是在各个层面都存在着挑战，从组装量子比特，到读取和写入信息，再到保持量子特性不消失等等。

一个量子比特就像是一个超级大巨星。虽然那些好莱坞的大明星可能需要有巨大和布满玫瑰的化妆室，但量子比特则孤傲的需要独处在一个完美的隔离环境下，并且必须在非常低温的条件下（刚好在绝对零度之上）。只要受到周围任何原子的轻微扰动就会导致量子比特失去叠加态的魔法。

然而，最大的困难在于要如何保持叠加态和纠缠态足够久的时间，允许量子计算机进行运算。

我们并不知道需要多久才能最终制造出一台真正的量子计算机，或者是有没有可能做到。尽管这是非常具有挑战性的一件事情，但制造第一台实用的量子计算机的竞赛早已开始，有上千名的物理学家、工程师以及全球许多研究所和公司都在这个赛场之中。制造量子计算机已经成为了这个世纪最大的科学挑战之一。

参考来源：

【1】https://people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Feynman.pdf

【2】https://arxiv.org/pdf/quant-ph/9508027v2.pdf

【3】https://cosmosmagazine.com/physics/a-quantum-leap

【4】http://news.mit.edu/2016/quantum-computer-end-encryption-schemes-0303

【5】http://www.nature.com/nature/journal/v534/n7606/full/nature17658.html

【6】https://www.dwavesys.com/press-releases/d-wave announces d-wave-2000q-quantum-computer-and-first-system-order

【7】https://www.technologyreview.com/s/603165/intel-bets-it-can-turn-everyday-silicon-into-quantum-computings-wonder-material/