最近大火的量子計算到底是什麼？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.量子計算是基於量子比特，而非現代計算機中的經典比特，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「大規模並行計算」的能力。

3.為了突破計算機目前的局限，研發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）。

什麼是量子？

在解釋量子的具體概念之前，我們要先了解「經典世界」（經典物理）與「量子世界」（量子力學）這組相對概念。

量子概念被提出之前，物理學是被經典世界統治的。簡單地說，我們日常生活中的絕大多數物理現象可以用以牛頓力學為主體的一套經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，會發現之前經典物理學理論與現實非常不符。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象，這就有了受量子力學規律統治的「量子世界」。

「經典世界」的特點是，物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的：經典信息要麼是0，要麼是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徵，無法消除。

所以量子到底是什麼呢？普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的，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，它們的共同特徵就是必須遵從量子力學的規律。

話說回來，其實沒有那樣的尺度把世界分成是經典的和量子的，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。

什麼是量子計算（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。

如果把經典比特的 0 和 1 想像為地球的南北極，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，即無限多種組合的線性疊加態。

2.量子疊加(Quantum superposition)

經典世界告訴我們，一個時間，比特只可能有一種狀態，過一段時間可以跑到另一種狀態，但是同一個時間只有一種狀態。

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

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。當其中一個粒子被操作（例如量子測量）而狀態發生變化，另一個也會即刻發生相應的變化。

4.並行計算

經典計算機操縱經典比特，量子計算機就是在量子力學允許的範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，如果一個計算機可以同時操縱n個量子比特，那麼它實際上可以操縱2n個狀態，其中每個狀態都是一個n位的經典比特。這就是量子計算機的並行計算能力。

總的來說，量子計算是基於量子比特，而非現代計算機中的經典比特，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「大規模並行計算」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。

為什麼要進行量子計算？

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，然後又如何提神醒腦。很遺憾，這是不可能的。

即使你準備造一個計算機晶元， 不停往裡面堆晶體管，即使讓集體管數量等同與構成銀河系的原子數量， 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量過於龐大，傳統計算機力不能及。

因而，為了突破計算機目前的局限，研發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。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，因為傳統計算機並非為這項挑戰而生，這種邏輯不對，相反，我們應該藉助一種可控且遵循量子力學定律的全新介質。」

費曼表示，要實現量子計算並不容易。而經過科學家們多年努力，這個挑戰被實現了，並將開啟計算新時代。

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

其中一個困難就是，由於自身條件的限制，量子比特必須保存在溫度極低的環境中，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定和脆弱的信息。

不僅如此，量子位錯綜複雜、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者前功盡棄。

總的來說，構建真實可用的量子系統有三大挑戰：

1.必須有量子比特來確定位置；

2.一旦確定了量子的位置，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位量子比特的晶元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革命的到來。量子計算機一旦投入使用，哪些行業會受到顛覆性的影響，社會生活與時代發展又會出現怎樣的新變化，一切有待觀望。

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