人類科技的極限——量子計算機

在人類歷史的進程中，人類技術的發展源於我們對大腦，火以及尖銳物體的探究。當火和尖銳物逐漸演變成為發電站和核武器時，腦研究引發了科學技術（計算機技術）的革命。從1960年（20世紀60年代）開始，電腦的計算能力一直呈指數級增長。電腦正變得越來越小，同時計算能力變得越來越強，但這個過程即將到達它的物理極限。

　　

　　電腦中基礎電子元件的尺寸正在逼近一個原子的大小，在了解這個現狀引發的問題之前，我們需要弄清楚一些電腦的基本知識。簡而言之，電腦是由非常簡單的零件組成的，做著很簡單的事情，顯示數據，處理數據，對計算機進行控制等。計算機晶片有不同的模塊構成，這些模塊由邏輯門電路構成，而邏輯門電路則由電晶體構成，電晶體是計算機進行數據處理的最小單元。電晶體其實是個開關，可以關閉和開啟，從而控制信息傳輸。

　　

　　計算機中的信息是比特（位）構成的，可以設置成0或1的二進位數形容來表達。計算機通過一些比特（位）的組合來儲存和表達複雜的信息，電晶體可以組合起來構成邏輯門電路，邏輯門電路的工作也非常簡單，例如，如果所有的收入都是1，那與門會輸出1，否則會輸出0。

　　邏輯門電路可以組成計算機模塊，對數據進行有意義的處理。比如把兩個數字相加，一旦你可以做加法，那當然也可以做乘法，一旦你能做乘法，你基本上可以做任何事兒了，實際上其中的基礎運算要比一年級數學還簡單，你可以把計算機想像成一組七歲的小孩兒，在計算最簡單的基礎數學題。足夠多的計算機串聯起來就可以計算任何問題了，從天體物理學到塞爾達傳說（遊戲名）。

　　

　　然而，隨著電子元件越來越小，量子物理學使事情非常棘手，簡單的說電晶體是一個電子開關，電流就是從一個地方運動到另一個地方的電子，所以電晶體可以阻斷單向流動的電流，如今，一個典型的電晶體僅有14納米，這比一個HIV（愛滋病）病毒還要小8倍，比一個紅細胞還要小500倍，當電晶體縮小到只有幾個原子那麼大的時候，電子可能會通過本應被阻隔的通道，這個過程稱為量子隧道。

　　在量子領域，物理現象和我們平常截然不同。那麼這種傳統的電腦就不再有進步的可能了，我們的技術進步正接近一個物理屏障，為了解決這個問題，科學家正試圖通過建造量子計算機來使用這些神奇的量子特性。在普通電腦裡，比特是信息的最小單位，而量子計算機的最小單位是量子比特（量子位），它也可以設置為兩個值，量子比特（量子位）可以是任意的兩能級量子系統。

　　

　　可以旋轉產生磁場，也可以形成單光子。0和1是系統可能存在的狀態，它們就像光子的水平態和垂直偏振態一樣，在量子世界中，量子比特不一定只處於一種固定的狀態，它可以是任何兩種狀態，這就是所謂的量子疊加態。但是一旦你要對它進行確切的測量，比如我們讓光子通過濾光器，那麼它就必須要確定一個狀態，到底是水平態還是垂直偏振態。

　　因此當量子比特的狀態沒有被觀測到的時候量子比特就可能處在一種0和1的疊加狀態，並且你沒法預測它到底是0還是1的狀態。但是你一旦對它進行觀測，疊加狀態就會坍塌縮成其中一種特定的狀態。量子疊加態就是遊戲規則的改變者，傳統比特可以在同一時刻，在四種不同立體基陣下各擁有兩種狀態。有16種可能的組合，但你只能使用其中一個，而量子比特處於疊加態時，就可以同時處在16種組合之中，每多出一個額外的量子比特，這個數就呈指數式增長。

　　20個量子比特就能存儲相當於如今一百萬比特的存儲容量，彼此間的糾纏是量子比特擁有快速反應和能力的同時保持不確定性。也就是說每個量子比特都可以極快地從一個狀態切換到另一個，無論它們相隔有多遠。這意味著當測量一個被糾纏的量子比特時，你可以直接調用它的同伴的屬性，而不必專門去查看。操縱量子比特的想法也是別出心裁，一個標準的邏輯門工作原理是接收一組簡單的輸入，產生某個確切的輸出，一個量子門要輸入旋轉疊加態的概率，並產生新的疊加態作為輸出。

　　

　　所以量子計算機設定某些量子比特作為量子門，用來約束它們和操縱它們的（疊加態）概率。最終測量到的數據是崩塌的疊加態，能確切等於0和1。這裡的意思是你在啟動機器的同時就得到的大量可能計算結果，最終你只能得到測量結果中的一個，它很可能正是你想要的，所以你大概還要再測一次，但是如果巧妙地運用量子疊加態和量子糾纏效應，量子計算機就會比傳統計算機的工作效率高無數倍。因此就算量子計算機可能不會替代我們的家用電腦，但在其他一些領域，他們同樣有著巨大的優勢，其中一個就是數據檢索，為了在資料庫查找東西，一個普通計算機不得不查看所有詞條，量子計算機算法卻只需要存入時間的腳本。

　　

　　對於大數據來說就完全不同了。量子計算機最出名的應用是破壞信息安全。現如今人們可以查看電子郵件和使用網銀，都是依託了加密的安全系統的保護，這個系統給所有人公共密鑰用來加密，但編碼的信息只有你自己可以破譯。問題是，公共密鑰實際上可以被用來計算你的個人密鑰。幸運的是，在普通電腦上做這種計算至少需要幾年的時間來嘗試和犯錯。而量子計算機由於擁有指數級增長的運算速度，呼吸之間就可以完成。

　　另一個激動人心的新用途是模擬仿真。量子世界的模擬仿真對資源的要求非常高，即使是計算模擬大型物體，例如分鐘子也經常出錯，那麼為什麼不用真實的量子來模擬量子物理現象呢？量子仿真技術可以透視蛋白質，從而引發機器變革。現在我們不知道量子計算機會成為專家的工具，還是全人類社會的科技革命。

　　

　　量子計算機的機器學習能力可以幫助我們更快更有效地處理很多事情，利用量子計算機對其自身功能的不斷完善，可以引領半自動車輛等更高級別的人工智慧。

　　所有的這些應用聽起來令人興奮不已，但在此之前我們還有很長的路要走。

　　如今，量子計算機研製工作的主要參與者包括谷歌和美國航空航天局，當各大公司紛紛致力於高尖端技術的研發時，取得突破也就指日可待了。