最近大火的量子计算到底是什么？来了解一下。

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关键信息：

1.光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子。

2.量子计算是基于量子比特，而非现代计算机中的经典比特，它利用量子力学理论中的量子叠加和量子纠缠效应，具有天然的“大规模并行计算”的能力。

3.为了突破计算机目前的局限，研发出性能无比强大的处理器，科学家们转换计算模式，研究利用量子计算（机）。

什么是量子？

在解释量子的具体概念之前，我们要先了解“经典世界”（经典物理）与“量子世界”（量子力学）这组相对概念。

量子概念被提出之前，物理学是被经典世界统治的。简单地说，我们日常生活中的绝大多数物理现象可以用以牛顿力学为主体的一套经典物理学理论来精确地描述。

而当我们探测到微观的尺度时，会发现之前经典物理学理论与现实非常不符。幸而普朗克引入了量子概念，让我们可以解释微观世界的一些物理现象，这就有了受量子力学规律统治的“量子世界”。

▲德国物理学家马克斯·普朗克

“经典世界”的特点是，物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的：经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。

但在“量子世界”中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。

所以量子到底是什么呢？普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子。

“量子”是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是超导体、“薛定谔猫”等宏观尺度下的量子系统，它们的共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

话说回来，其实没有那样的尺度把世界分成是经典的和量子的，这个世界本来就是量子的。在尺度变大的情况下，我们取近似，物理就刚好变成经典的，这时量子效应可以完全忽略，我们才不考虑量子力学。

什么是量子计算（机）？

先来热热身，了解一些基本概念。

1.量子比特（quantum bit，简写为qubit或qbit）

在量子计算中，量子信息的单位是量子比特，也叫量子位，量子比特与经典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

普通计算机一个比特可以表示为 0 或者 1。而量子计算机虽然也可以使用 0和 1，但一个量子比特可以同时是 0 和 1，具有不确定性。

如果把经典比特的 0 和 1 想象为地球的南北极，在量子比特中，量子比特可以是部分北极和部分南极的叠加状态，即无限多种组合的线性叠加态。

2.量子叠加(Quantum superposition)

经典世界告诉我们，一个时间，比特只可能有一种状态，过一段时间可以跑到另一种状态，但是同一个时间只有一种状态。

比如一座大厦有20层楼，你问某位同学在哪儿，经典世界一定说他位于20层中的某一层。但是如果从量子比特的角度来看，他20种状态都有，你问他在哪儿，原则上说他各种可能的态都在，20层楼他都在、而且是同时在，这就是量子世界的奇妙特性。

▲“薛定谔的猫”思想实验体现的就是量子叠加原理

3.量子纠缠 (Quantum entanglement)

当两个粒子互相纠缠时，即使距离遥远，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一个粒子被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一个也会即刻发生相应的变化。

4.并行计算

经典计算机操纵经典比特，量子计算机就是在量子力学允许的范围内用量子门操纵量子比特。操纵一个量子比特的量子计算机可以同时操纵比特0和比特1两个状态，如果一个计算机可以同时操纵n个量子比特，那么它实际上可以操纵2n个状态，其中每个状态都是一个n位的经典比特。这就是量子计算机的并行计算能力。

总的来说，量子计算是基于量子比特，而非现代计算机中的经典比特，它利用量子力学理论中的量子叠加和量子纠缠效应，具有天然的“大规模并行计算”的能力。

“量子计算机不仅仅是我们所熟悉的那种计算机的更快速版本。它是一种全新的利用自然进行运算的方式。”德克萨斯州大学奥斯汀分校量子信息中心主任Scott Aaronson指出。

为什么要进行量子计算？

想理解这个问题，我们不妨跟随IBM量子实验室的科学家Jerry Chow的思路，从一杯咖啡开始。

如果我们想完整描述咖啡因分子，了解它的内能、结构及相互作用，了解原子如何相互配合，成为咖啡因，然后又如何提神醒脑。很遗憾，这是不可能的。

即使你准备造一个计算机芯片， 不停往里面堆晶体管，即使让集体管数量等同与构成银河系的原子数量， 你仍然无法模拟咖啡因分子。

根本原因是构成分子的原子和电子数量过于庞大，传统计算机力不能及。

因而，为了突破计算机目前的局限，研发出性能无比强大的处理器，我们需要转换计算模式。

其实早在1982年，诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼就提出了这个前所未有的挑战。他的意思大概是：

“如果我们尝试解读和模拟自然界的分子，简直是异想天开，因为传统计算机并非为这项挑战而生，这种逻辑不对，相反，我们应该借助一种可控且遵循量子力学定律的全新介质。”

▲理查德·费曼

费曼表示，要实现量子计算并不容易。而经过科学家们多年努力，这个挑战被实现了，并将开启计算新时代。

未来，很多传统计算机无法解决的问题将迎刃而解。我们的关注点，则从我们能否实现量子计算，转入如何利用量子计算。

其中一个困难就是，由于自身条件的限制，量子比特必须保存在温度极低的环境中，约零下273摄氏度，量子比特在其位置上保存的时间也非常短暂，因此量子计算意味着处理非常不稳定和脆弱的信息。

不仅如此，量子位错综复杂、变幻无常、体积微小、极难控制，及时能做到，任何的噪音、热度和震动也会让研发者前功尽弃。

▲谷歌位于加州圣巴巴拉实验室里的量子芯片，被冻结在悬空低温恒温器里

总的来说，构建真实可用的量子系统有三大挑战：

1.必须有量子比特来确定位置；

2.一旦确定了两字的位置，就要保存它们；

3.将相互连接的诸多量子比特汇聚到一起。

因此谷歌刚推出的有72位量子比特的芯片是量子计算的重大进展。[详情见本次推送首条]

量子计算就像是新的“引擎”，很多人说它会推动第四次工业革命的到来。量子计算机一旦投入使用，哪些行业会受到颠覆性的影响，社会生活与时代发展又会出现怎样的新变化，一切有待观望。

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