即將顛覆世界的產品，一千字看懂IBM量子計算機製造及運行原理

IBM建造了一台真正的量子計算機，開啟了量子計算的新紀元。為了得瑟一下，近日他們啟動了量子計算雲服務，讓外部程序員和研究者可以通過演算法來測試他們的量子晶元，並表示任何對量子計算感興趣的人都可以申請試用，地址是：https://quantumexperience.ng.bluemix.net/。

IBM這台量子計算機運行超導處理器，由液氦冷卻，在與谷歌的競爭中暫時領先一籌，谷歌迄今為止尚未發布量子晶元。該量子晶元擁有5個量子比特，據說40個量子比特的計算機，即相當於現在一台超級計算機的性能，那麼它的原理究竟是什麼呢？筆者逐字研讀了該報導，發現它對量子計算的原理花費了不少筆墨，卻晦澀難懂，根本無法從中體會這一划時代產品帶來的震撼和偉大意義。而且對我們最為關心的問題，即如何在硬體上實現量子計算卻語焉不詳。

我們都知道量子糾纏是個非常神奇且神秘的狀態，普通計算機只能識別兩個狀態0和1，在同一時間，要麼是0，要麼是1，而量子計算機則可以既是0，也是1，還可以是兩者的任意疊加態，也就是說它可以處於一種不確定的狀態，這就是量子的基本屬性。很燒腦不是？那就熄熄火好了，我們不需要關心薛定諤那隻既死了又活著的貓，我們只需理解一點，普通電腦用晶體管做存儲器，而量子計算機是用原子做存儲器。那麼量子計算機如何才能實現這種矛盾的狀態呢？

筆者查閱大量資料後，發現澳大利亞科學家基於硅-28的一種方案比較有代表性，他們的方案是將量子比特存儲在另一種元素的原子中，如磷，並將這些原子嵌入在一層薄薄的超純凈硅-28層位之上。計算的時候用激光束照射這些原子，使它們的自旋狀態發生改變，分析激光進入和離開時的反射，便可以測得不同原子的大量狀態信息。最關鍵的是，這些原子並不是真正地指向「上」或「下」，而是遵循量子力學的原理同時處於「上」和「下」的混合狀態，即薛定諤的貓既死且活的狀態，所以一次照射相當於完成了大量計算。也許可以用一維直線只有兩個方向來理解一個晶體管存儲的信息，而用三維立體六個甚至更多方向來理解一個量子存儲的信息，附圖可能有助於大家理解這個過程。

而IBM的量子計算機同樣構建於硅晶片基礎之上，不過其核心部件之一是鈮、鋁構成的超導金屬，在極端低溫下（只比絕對零度高0.0015度！），才能呈現出量子特性。不知道是不是和澳大利亞科學家們採用的同樣方案，不過不管用什麼方案，人類都得在量子層面對大量原子進行操縱，並測量它們的量子態，編程計算，這是一個極端複雜的過程，涉及很多方面的知識，不再贅述。量子計算機的成功，必將對人類社會的未來產生革命性的影響。

量子計算機尚未揭開神秘面紗，未來真正量產，也許所用原理和材料都和現在有天壤之別，錯誤之處，還請讀者朋友們批評指正。

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