量子計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)工作原理的區(qū)別

本文介紹了量子計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)工作原理的區(qū)別。

量子計(jì)算是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，科學(xué)家們利用量子力學(xué)，制造出具有革命性能力的計(jì)算機(jī)。雖然現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)體積受限且容易出錯(cuò)，但未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)可能超越世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，完成以前不可想象的任務(wù)！這意味著量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)徹底改變我們的生活。

在本文中，我們將先了解普通計(jì)算機(jī)的工作原理，再深入探討量子計(jì)算機(jī)為何潛能巨大。我們將特別關(guān)注它們強(qiáng)大力量的來(lái)源：微小粒子如何能同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)？

普通計(jì)算機(jī)如何存儲(chǔ)信息？

在我們探索量子計(jì)算的神奇世界之前，先來(lái)了解一下現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是如何存儲(chǔ)信息的吧！計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的基本單位叫做比特，每個(gè)比特可以存儲(chǔ)一個(gè)值，要么是 0，要么是1。多個(gè)比特可以組合成有意義的信息。例如，6個(gè)比特可以組合成“101010”，表示數(shù)字42。組合成百萬(wàn)甚至億萬(wàn)比特后，就可以存儲(chǔ)更復(fù)雜的信息，如圖片、視頻和電子游戲。

比特是通過(guò)一種叫做晶體管的小型電子元件存儲(chǔ)的。晶體管就像開關(guān)，開關(guān)關(guān)上表示0。反之，開關(guān)打開表示1。下圖簡(jiǎn)單展示了這種邏輯如何來(lái)創(chuàng)建比特字符串，如“101010”?，F(xiàn)代手機(jī)里包含了數(shù)十億個(gè)緊密排列的晶體管來(lái)存儲(chǔ)大量復(fù)雜信息。

圖 1 - 晶體管如何存儲(chǔ)信息的簡(jiǎn)單示意圖。每個(gè)晶體管都可以是“開”（綠色）或“關(guān)”（紅色）。如果晶體管是“開”，就表示 1；如果是“關(guān)”，就表示 0。在這里，我們用六個(gè)晶體管來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制字符串“101010”，這代表數(shù)字42。

總結(jié)一下，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)十億個(gè)晶體管存儲(chǔ)信息，每個(gè)晶體管存儲(chǔ)一個(gè)比特（0或1），這些比特組合起來(lái)可以表示復(fù)雜信息。從歷史的角度看，計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)遵循摩爾定律，即芯片上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴槐丁，F(xiàn)代芯片可以在每平方毫米中容納超過(guò)一億個(gè)晶體管，但我們可能已經(jīng)接近晶體管密度的物理極限，這也引發(fā)了關(guān)于摩爾定律是否“過(guò)時(shí)”的激烈討論。

什么是“量子”計(jì)算機(jī)？

量子計(jì)算機(jī)是一種利用量子粒子的獨(dú)特行為進(jìn)行計(jì)算的設(shè)備。那么，“量子”這個(gè)詞到底從哪里來(lái)，是什么意思呢？“量子”這一名稱來(lái)自量子力學(xué)，它是一種描述微觀世界的科學(xué)理論。量子力學(xué)與量子計(jì)算的關(guān)聯(lián)在于，它告訴我們粒子是如何運(yùn)動(dòng)和相互作用的。量子力學(xué)描述了一個(gè)非常奇妙的世界，在這里，粒子可以在空間中擴(kuò)展開來(lái)，同時(shí)處于不同的狀態(tài)，還可以像海浪一樣相互干擾[1]。量子世界的行為與我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降摹⒖深A(yù)測(cè)的行為非常不同！雖然量子力學(xué)描述的粒子行為有點(diǎn)出人意料，但它是科學(xué)史上最精確的理論之一[2]。

量子力學(xué)最適合描述微小粒子的行為，比如電子、光子（光的粒子）和原子核，它們都展現(xiàn)出量子的行為，是典型的量子粒子。那么，這些粒子有哪些特性可以幫助我們制造強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)呢？其中一個(gè)非常重要的特性就是疊加態(tài)。這種特性本質(zhì)上能讓量子粒子存儲(chǔ)比晶體管更多的信息。

量子比特與薛定諤的貓之謎

量子計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別在于，它們使用量子粒子而不是晶體管來(lái)存儲(chǔ)信息、進(jìn)行計(jì)算。就像我們把晶體管存儲(chǔ)的信息稱為“比特”一樣，我們把量子粒子存儲(chǔ)的信息稱為“量子比特”或“量子位”。要理解為什么量子比特比普通比特更強(qiáng)大，我們首先要理解量子力學(xué)中的“疊加態(tài)”。

“疊加”這個(gè)詞聽起來(lái)可能有點(diǎn)嚇人，但它的意思其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是“同時(shí)處于多種狀態(tài)”。雖然聽起來(lái)很奇怪，但量子粒子確實(shí)可以處于各種疊加狀態(tài)，比如它們可以同時(shí)在多個(gè)位置上，也可以在不同方向上運(yùn)動(dòng)?？梢栽囍蚜Ｗ酉胂蟪稍诳臻g中擴(kuò)散的波，而不是點(diǎn)狀的粒子。

通過(guò)物理學(xué)上最知名的“貓”的故事，就能輕松理解量子疊加：這個(gè)故事是奧地利物理學(xué)家厄溫·薛定諤在1935年想出來(lái)的[3]。故事的開頭是把一只貓放進(jìn)一個(gè)封閉的盒子里，同時(shí)放入一個(gè)放射性元素和一個(gè)毒藥瓶。如果放射性物質(zhì)隨機(jī)發(fā)射出一個(gè)粒子，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)錘子打碎毒藥瓶，從導(dǎo)致貓死亡（見圖2）。你不需要在意毒藥瓶是如何打碎的，只要知道這是一個(gè)無(wú)法提前預(yù)測(cè)的隨機(jī)過(guò)程就行了。

圖 2 - 薛定諤貓的思想實(shí)驗(yàn)

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，放射性元素（一個(gè)帶有黑色放射性標(biāo)志的小藍(lán)方塊）可能隨機(jī)發(fā)射出輻射。如果輻射發(fā)射出來(lái)，就會(huì)觸發(fā)一系列反應(yīng)，導(dǎo)致綠色毒藥釋放出來(lái)。在我們打開盒子之前，這只貓（假設(shè)中）處于“既死又活”的疊加狀態(tài)。這個(gè)故事有點(diǎn)荒謬，但它是一個(gè)很好的類比，說(shuō)明了量子粒子的行為——它們可以同時(shí)處于多種狀態(tài)。

如果盒子保持密封，那么我們沒(méi)有任何方法知道毒藥是否已經(jīng)釋放，貓是否死去還是活著。薛定諤認(rèn)為，在打開盒子之前，我們必須假設(shè)貓既是活的又是死的。換句話說(shuō)，貓?zhí)幱谝环N“既死又活”的疊加狀態(tài)。然而，一旦我們打開盒子并觀察里面的情況，這種疊加狀態(tài)就會(huì)消失，我們就能確切地知道貓的狀態(tài)。

雖然認(rèn)為貓同時(shí)既死又活聽起來(lái)確實(shí)很荒謬，但這個(gè)故事是一個(gè)非常好的類比，說(shuō)明量子力學(xué)如何描述粒子的行為。例如，如果我們不去測(cè)量粒子的狀態(tài)，它可以真的處于多種狀態(tài)的疊加之中。但是一旦我們測(cè)量它的狀態(tài)，這種疊加就會(huì)消失，它會(huì)“坍縮”到其中一種可能的狀態(tài)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，粒子在疊加中可以保存大量信息，但當(dāng)我們?cè)噲D測(cè)量這種疊加狀態(tài)時(shí)，我們只能得到其中一部分信息。

量子計(jì)算：倍增的力量

量子力學(xué)告訴我們，粒子有一種叫做自旋的內(nèi)稟屬性，自旋可以指向上方或下方[1]。為了便于理解，我們可以假設(shè)“自旋向上”表示數(shù)值1，而“自旋向下”表示數(shù)值0。所以，你可以看到，就像晶體管一樣，量子粒子也可以存儲(chǔ)信息（這里是量子比特）。我們還可以把多個(gè)量子粒子組合在一起，形成信息串。量子力學(xué)告訴我們，量子粒子可以同時(shí)處于“自旋向上”和“自旋向下”的疊加狀態(tài)——也就是說(shuō)，量子位可以同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)值0和1，而這對(duì)晶體管來(lái)說(shuō)是不可能的（見圖3）。

圖 3 - 量子位同時(shí)處于1和0疊加狀態(tài)的簡(jiǎn)單示意圖

圖中電子（用橙色圓圈表示）上的箭頭指向電子的自旋方向。自旋可以是向上（值為1）或向下（值為0）。由于量子力學(xué)的疊加態(tài)原理，電子可以同時(shí)處于自旋向上和自旋向下的狀態(tài)，因此可以同時(shí)存儲(chǔ)1和0的值。

如果我們把兩個(gè)量子位組合在一起，這個(gè)2量子位系統(tǒng)可以同時(shí)存儲(chǔ)“00”、“01”、“10”和“11”（四種態(tài)），而2位的晶體管系統(tǒng)在同一時(shí)間只能存儲(chǔ)其中一個(gè)狀態(tài)。如果我們?cè)黾拥?個(gè)量子位，就能同時(shí)存儲(chǔ)“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”和“111”八種狀態(tài)！實(shí)際上，如果我們組合n個(gè)量子位，那么可以同時(shí)存儲(chǔ)2的n次方個(gè)狀態(tài)。如果我們有50個(gè)量子位，就可以在同一時(shí)間存儲(chǔ)超過(guò)一千萬(wàn)億個(gè)狀態(tài)——這讓量子計(jì)算機(jī)可能比擁有數(shù)萬(wàn)億個(gè)晶體管的超級(jí)計(jì)算機(jī)還能強(qiáng)大。這就是“倍增”的力量！不過(guò)，當(dāng)我們測(cè)量量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)時(shí)，這種疊加會(huì)消失，我們只能一次獲得少量信息。這就像從一個(gè)大拼圖中只選出一塊。設(shè)計(jì)量子算法時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)。關(guān)鍵是要構(gòu)建一種有效的量子算法，在疊加狀態(tài)中檢查所有可能性，并有策略地提取盡可能多的信息。

量子計(jì)算機(jī)正在逐步實(shí)現(xiàn)

今天，我們正處于量子計(jì)算的“中等規(guī)模含噪量子（NISQ）”時(shí)代，這意味著現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)體積受限且容易出現(xiàn)較大錯(cuò)誤。目前，大多數(shù)現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)還不能實(shí)際應(yīng)用[4]。不過(guò)，全世界的研究人員和創(chuàng)新企業(yè)正在努力，逐步開發(fā)更大、有防錯(cuò)功能的量子計(jì)算機(jī)。令人驚訝的是，在2023年，科學(xué)家們推出了首批擁有1000個(gè)量子位的計(jì)算機(jī)，但要降低這些機(jī)器的錯(cuò)誤率還有很長(zhǎng)的路要走[5]。盡管量子計(jì)算的未來(lái)仍然充滿不確定性，但量子技術(shù)的進(jìn)步可能為人類通信和信息處理開辟全新的前景。同時(shí)也帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)，例如確保這種強(qiáng)大的技術(shù)的使用是否審慎負(fù)責(zé)。但有一點(diǎn)似乎可以確定：量子計(jì)算將改變我們所生活的世界。

參考文獻(xiàn)

[1]Griffiths, D. J., and Schroeter, D. F. 2018.Introduction to Quantum Mechanics, 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press (2018).

[2]Renner, R., and Nurgalieva, N. 2021. Testing quantum theory with thought experiments.Contemp. Phys. 61:193–216. doi: 10.1080/00107514.2021.1880075

[3]Schr?dinger, E. 1983. “The present situation in quantum mechanics: A translation of Schr?dinger’s “cat paradox paper”, inQuantum Theory and Measurement”, eds. J. A. Wheeler, W. H. Zurek (Princeton: Princeton University Press), 152–167.

[4]Chen, S., Cotler, J., Huang, H. Y., and Li, J. 2023. The complexity of NISQ.Nat. Commun. 14:6001. doi: 10.1038/s41467-023-41217-6

[5]Preskill, J. 2018. Quantum computing in the NISQ era and beyond.Quantum2:79. doi: 10.22331/q-2018-08-06