七分鐘了解什麼是量子計算機

在人類歷史上，科技曾經意味著人類思考能力、利用火的能力和使用長矛的能力

隨著發展，火與長矛已經被核電廠與核武器替代

相較之下人類的思考能力的進步就顯得更加驚人

自20世紀60年代以來，用於增強我們思考能力的機器——計算機

其性能已經依指數倍增長，不僅更小，且更為強大

但它也已經接近了現代物理上的極限

計算機元器件目前的尺寸大小已經接近單個原子

為了說明，讓我們先來補充一些基本知識

《簡而言之》-Kurzgesagt製作

計算機由一些非常基本的元件構成

它們只能完成一些非常基本的任務

例如展示數據、處理數據和控制數據流

計算機晶元的重要組成，邏輯門，是由晶體管構成的

晶體管是使計算機能夠處理數據的最基本單元

從功能上來說，它像是一個開關，可以阻擋或者允許信號通過

這些信號組成了數據，也即是比特

對於一個比特來說，它可以是0或者是1

經過人為定義，一組比特可以用來表示更複雜的數據

晶體管被用來組成各種邏輯門，他們仍然只完成很簡單的工作

打個比方，「與」邏輯門只在兩個輸入信號都為1的時候輸出1，其它時候則輸出0

再講邏輯門組合到一起，才能完成一些類似將兩個數值相加這樣更有意義的工作

既然能夠將數值相加，那自然也可以將數值相乘

以此類推，其它更複雜的操作自然也不在話下

由於這些基本運算小學一年級學生都能夠輕鬆完成

你可以把計算機想像成一群能夠完成基本數學運算的7歲小學生

當他們的數量達到一定規模，你就可以讓他們完成任何類型的複雜運算，

只要每個步驟足夠簡單

不論是做天體物理學，還是玩賽爾達，都不在話下

但是，隨著基本元件越來越小

量子物理學原理會導致元件特性發生顯著變化

簡而言之，一個晶體管只是一個小開關

電流微觀上看就是向特定方向運動的一個個電子

所以這個開關可以選擇阻擋這些電子，或者允許它們通過

如今，一個普通晶體管的大小僅有14納米

它只有HIV病毒的1/9大

比血紅細胞小500倍

由於晶體管現在已經縮小到僅有數個電子大小

電子有的時候會無視阻礙，直接通過一個已經關閉的開關

這種現象叫做量子隧道效應

在量子尺寸上，傳統物理學並不適用，許多物理現象都極為反常

所以傳統的計算機會無法正常工作

我們目前遇到了真正意義上的「物理」屏障，阻礙了我們的科技繼續發展

為了解決這個問題

科學家正嘗試更好地應用量子物理學特性

以研製量子計算機

在傳統計算機中，比特是最小的信息單位

在量子計算機中，量子比特也可以被設定為兩個值中的任意一個

一個量子比特可以由任意二階量子系統組成

例如一個同時具有磁場和自弦的系統，或者單一一個光子

這個系統可以存在0和1兩種狀態

就如光子可以水平極化或者垂直極化

在微觀量子世界中，量子比特可以同時處於多種狀態

它可以是幾種不同量子態中的任意幾種的歸一化線性組合

這種狀態稱為量子疊加態

不過，一旦你嘗試通過光子探測器去確定它的值

它就會立刻變化為水平極化或者垂直極化狀態中的一種

所以只要它不被探測器觀察

量子比特就會處於疊加態，即同時等於0和1，無法預測確定的值

在被觀察的一瞬間

它就會坍塌為兩種狀態中的一種

量子疊加態這種特性帶來了巨大的變革

傳統比特表示的數據在某一特定時間點只能處於2的4次方種組合中的一種

即16種可能的組合，你只能選用其中的一種

但對處於疊加態的量子比特表示的數據來說，你可以認為它同時處於這16種組合中的所有狀態

每增加一位量子比特，能夠表示的數據就呈指數倍增長

僅20位量子比特就已經可以同時表示百萬種不同的組合

量子比特另一個令人覺得難以置信的特性就是它們可以處於糾纏態

某種緊密的聯繫使得一個量子比特上發生的變化會立刻反應在另一個相關聯的量子比特上

無論它們離得多遠

這意味著只要通過觀察知道其中一個的狀態

另一個的狀態也就不言而喻了

對量子比特的操縱也相當令人困惑

普通的邏輯門由一組輸入給出一個確定狀態的輸出

量子門則用於操縱處於疊加態的量子比特，改變這個量子比特被觀察時可能出現的狀態

並最終輸出一個疊加態與之前不同的量子

因此，量子計算機會設置一些量子比特，並用量子門讓它們處於糾纏態，並操縱它們各個狀態出現的可能性

再通過觀察它們使疊加態坍塌，可能的輸出序列中的一種就會出現

這意味著你可以同時進行多組不同的運算

最終，它的結果會是你所期望的結果中的一種

所以，你可能會希望多驗算幾次

不過，恰當的利用量子糾纏態和疊加態

在某些時候它的運算效率將大大超過普通計算機

因此，即便量子計算機在某些方面上仍然表現平平

但在其它時候，它將能獲得得天獨厚的優勢

例如在進行資料庫檢索的時候

傳統計算機需要測試資料庫中所有可能的匹配才能找到答案

但使用量子計算機的匹配演算法尋找答案可以節省一個指數量級的時間

當資料庫足夠大時，這種優勢是不可小覷的

量子計算機在計算機安全領域有非常重要的應用

目前的加密系統能夠在我們瀏覽電子郵件或者查詢銀行數據時確保我們的安全

通過公開分發的公鑰加密的數據只能有對應私鑰的持有者才能解密

但問題在於，獲得公鑰之後是可以通過數學方法計算私鑰的

但要用這些數學方法計算私鑰，傳統計算機可能要耗費數年

但量子計算機可以呈指數倍地加快這個計算過程

量子計算機也可以用於模擬量子現象

模擬量子現象的運算通常需要耗費海量的資源

即便以更大的分子作為模擬對象進行運算，精度也難以令人滿意

利用量子計算機模擬量子現象就顯得理所當然了

模擬量子現象能夠幫助我們了解各種蛋白質的特性，並帶來醫學上的變革

就目前來說，我們還不知道量子計算機是否只是一個在特定領域表現出眾的工具

還是給人類帶來下一次變革的巨大發現

我們目前也還不知道科技能帶我們走到多遠

顯然，只有一種方法能讓我們知道答案

這部短片由澳洲科學院贊助

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