人類想造一台牛逼的機器（2）－－菜市場大媽也能看懂的量子力學科普

現在想像你面前十米處是一片大海。我問你，我想去海里，我該去哪兒？

「往前走，走十米就是了。」你回答。

「那走十一米行不行啊？」我問。

「也行啊，那兒也是海」你說。

「那到底是十米還是十一米？你不能確定嗎」我問。

「滾！」你說。

大海這個玩意，要是沒有大地這個壁壘在那兒擋著，它能彌散在整個地球表面。要是沒有地球這玩意吸著，它能彌散到火星上去。那麼這個時候，「海的位置」這個問題是毫無意義的。但是顯然，這個結論並不是針對海，所有的東西，你這個人，你戴的眼鏡，你吃的驢肉火燒，羊肉串，煎餅果子，雞蛋灌餅，你穿的2016夏季新款韓版修身顯瘦OL格子連衣裙女大碼印花短袖連衣裙女潮，好像都不能說位置在哪，畢竟他們都有個體積。你要是說他在某個地方，那一般他也在旁邊一點兒那個地方。這對更微觀的東西一樣成立，電子，質子，中子，談論它們所謂的「位置」也一樣都沒啥意義。這個結論聽上去合理，但是卻有個不那麼合理的推論：一個的東西可以同時佔據不同的地方。為什麼會這樣呢？因為量子力學很神奇！

量子力學告訴我們，你沒法同時確定位置和動量。現在至少你知道了位置是沒法確定的了。因為就像流動的大海一樣，一個微觀的粒子，也像是流體一樣，彌散在空間之中。你可以說這個粒子總的說來在這一帶，但是不可能說它在某個點上。因為量子力學最重要的一點就是它用波函數來描述物體，這個函數基本上說的是這個東西在多大程度上出現在了某一個地方。一個東西的狀態是怎麼變化的，這個可以用薛定諤方程算出來。一般來說哪怕你強行規定這個粒子某一時刻體積為零，只能出現在某個點，那麼經過演化它也會很快的彌散出來，鋪滿這個空間。

還有更牛逼的事。一個東西並不僅僅在位置上有這種同時處於很多地方的能力，它可以更廣義的處在很多不同的狀態上。比如說，一個電子其實就是一個小指南針，有南極和北極。這個它本身攜帶的磁性叫做「自旋」。而這個牛逼之處就在於它可以既指向南，又指著北，或者既指著上，又指著下。我們可以用這樣的方式表示：

這個就表示了它同時處在上和下。（事實上，這個其實相當於指著左邊。但是我偏不告訴你為啥。）

這基本上就是人類想要製造的這個牛逼機器的理論基礎了。一個東西可以處在很多不同的狀態，那我們就選取幾個離散的狀態，給它們編上碼，比如說上面那個上和下，我們可以說：

你要是上，你就是1；你要是下，你就是0

然後我們的二進位就來了。一個電子就是一個計算機的基本單位比特，bit。不過在這裡，因為它可以同時是1和0，我們管它叫qubit。qu是quantum，量子的意思。

qubit這東西，牛逼就牛逼在它天然就可以拿來做並行計算。試想你要是有個同時是0和1的qubit，對它做個「非」運算，那你就同時對0和1做了運算了。你要是有兩個qubit，他們同時處於00，01，10，11這個狀態，你就能同時對四個狀態做運算了。你要是有三個qubit，你就能同時對000，001，010，011，100，101，110，111這麼多狀態做運算了。。。你要是有很多qubit，你就能一下子對很多狀態做邏輯運算！

量子計算的牛逼之處已經很顯然了。可是這僅僅是看起來－－量子物理規定了，你的邏輯運算必須是可逆的（unitary的）。此外，即使你完成了一個邏輯運算，你也必須把這個運算結果讀出來，而量子力學有個叫「塌縮」的假設。這個假設告訴我們，你在讀取結果的時候，一次只能讀一個結果。儘管你做了牛逼的並行計算，你卻不能把所有的計算結果都取出來，這些限制大大的降低了我們使用量子計算代替傳統計算機的可能性。所以，有一幫專門的計算機科學家在研究新的量子計算的演算法。這些演算法能夠讓計算這一過程既滿足了量子物理的約束，又能夠擁有對特定的問題以遠遠超過傳統演算法的效率。

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