顛覆常規理念:有關量子計算的9大事實

譯/中濤

量子計算機並不是用來瀏覽網際網路、收發郵件，也不是用來運行常規軟體。相反，量子計算機的基礎為量子力學。量子力學為物理學的一個分支，該學科創立時間已有100年左右，並對人們的傳統看法發起挑戰。量子物理學研究對象為很小的事物，如電子和光子等，並試圖解決人們此前沒能解決的問題。如果你聲稱量子計算機簡直就是以魔法方式運行，這種說法也沒有多少誇張之處。在我們面對這些很小的物體時(試想一下，比單個原子還小)，科幻小說中描寫的時間旅行、瞬間移動(teleportation)等奇特現象也只能說是司空見慣。傳統意義上的物理學「規則」在這兒不適用。

這無疑就可開啟一些令人心動的可能性，尤其在數學分支優化學科領域就更是如此。顧名思義，優化就是要從一大堆潛在答案中找出最佳者。對於這門特定數學學科領域而言，它致力於解決現實世界中一些可實際感受到的問題。UPS快遞卡車如何選擇其最佳投遞路線？機場該如何合理安排航班才能保持各航班不會延誤？

在處理一些優化計算任務上，傳統計算機可謂設備簡陋。美國南加州大學克希德·馬丁量子計算中心科學主任丹尼爾·裡達爾(Daniel Lidar)表示，人類驗證蛋白質摺疊狀態會花上大量時間，自然界卻能夠在數秒或數分鐘內完成這種任務，而傳統計算機要解決這些問題，則要花上數十億年的時間去思考。

從某種程度上講，量子計算也具有了像自然界那樣同世界互動的能力。這可能是一種今人感到難以理解的深奧想法。即便如此，這也僅僅是量子計算機的冰山一角。

1、量子計算機依靠量子力學來運行，而量子力學非常「瘋狂」。

與我們肉眼所看到物體的運動規則相比，量子粒子的運動規則卻大為不同。舉例來說，量子粒子能夠同時存在於兩個地方，能夠快速前進或後退，甚至能夠進行所謂的瞬間移動，也就是物理學家們所說的「量子隧道效應」(quantum tunneling)。

這通常是我們在科幻小說中所看到的東西。但在量子世界中，這些現象可謂尋常之極。而科學家們也無法對此給出令人滿意的答案。

 2、沒有人能夠真正了解量子計算機的內部會發生什麼。

一個被外界所熟知的量子力學理念(也適用於科學的普通法則)，就是對某種活動的簡單觀察，將會改變事情的結果。我們受限於我們所使用工具的準確性，而這一點對於科學家們敏銳的眼光而言尤為適用。一個量子粒子被觀察或以其他方式被測量後，則該量子粒子的屬性將永遠改變。

 3、忘掉0和1的數字位——量子計算機使用「量子位」(qubit)，而這種事情足以讓人充滿「狂野」思想。

就你的個人計算機核心而言，無疑是通過數位來處理——分別代表0和1的數字位，僅此而已。而量子計算機則使用量子位來實現其運行。與數字位一樣，量子位能夠代表0或1，但其真正神奇之處，還在於它們的第三種狀態，即「疊加」狀態——它們能夠同時代表0或1。

這種神奇的能力也就意味著，同一列量子位能夠同時代表大量不同事物。舉例來說，如果你組建了兩個量子位，則他們能夠同時保持四個可能的數值：[0, 0]、[0, 1]、[1, 0]或[1, 1]。

4、量子計算機能夠解決傳統計算機根本無法或難以解決的問題。

在解決優化問題時，量子計算機就能夠大放光彩。由於一些優化問題過於複雜，如果交由傳統計算機來處理，可能會上大量時間，如數十億年之久。

一個經典例子就是「旅行推銷員問題」。想像一下，你眼前的地圖上有一大堆城市，並顯示出各城市之間的距離。你是一名銷售員，正試圖找出可走遍每個城市的最短路線。要讓傳統計算機來解決這個問題，唯一的辦法就是記錄下每一條可能路線的距離，對它們進行比較後找到最短線路。然而這並不是很「瀟灑」的解決方式。

我們還記得，量子位可同時代表一個以上的事物。這也就意味著一臺量子計算機能夠同一時間嘗試無數個可能的路線，並能夠在數秒鐘內向你返回最短路線的答案，而不用花上地質學紀年意義上的時間。

 5、一些人認為量子計算機正在平行宇宙中運行計算。

沒有人能夠確認讓一個量子位同時代表一個以上事物的機制。它是奇異量子的天性，並顛覆了人們此前對於事情的理解。只是我們不理解，並不意味著事情沒有發生。科學家們對於這種可能性有各種各樣的見解。我們最能夠接受的是多宇宙理論，即理論物理學聲稱存在著多重(很可能是數量無限)平行宇宙。

在這種模式中，正解決旅行推銷員問題的量子計算機，其實很可能在平行宇宙中運行計算，並追蹤在其他宇宙中的潛在線路，目的是大幅減少解決此問題所需計算時間。

 6、你的個人電腦能夠像超級昂貴的量子計算機那樣做很多事情。

考慮到量子計算機能夠找到解決問題的最優化方案，它也依賴你每天所使用電腦中的一些基礎數學工具。這通常是指已經過優化的基礎算術。增加一堆數字並不比將它們加起來高明多少，將數字相乘並不比將他們簡單做乘法高明多少。在此類例子中，你的個人電腦效率將與量子計算機一樣具有高效率。

 7、隨著量子計算機易用性加強以及售價降低，它將給數據加密帶來變革。

除解決一些優化問題外，量子計算機將使我們當前有關加密和數據安全的理念得以徹底顛覆。今後任何兩個人之間的通話聯繫，所使用加密技術實際上將無法破解。

8、量子計算機必須在保持極端低溫下才能正常運行。

開氏(Kelvin)溫標，或者所說的「絕對零度」，也是可測量的最冷溫度。根據動力學理論，當溫度在絕對零度時，單個原子的動能為零，原子停止運動後，它們也就停止產生熱能。美國D-Wave公司所生產量子計算機，其內部溫度保持在0.02°K，相當於華氏溫標-460°F。

 9、量子計算機運算速度之快遠超乎你的想像。

美國阿姆赫斯特大學教授凱薩琳·麥克傑奧奇(Catherine McGeoch)對量子計算機和傳統計算機運行速度進行了對比。讓這兩種設備分別處理同一任務後，麥克傑奧奇得出結論稱，量子計算機的運行速度為傳統計算機的「數千倍」。

來源/騰訊科技

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