關於量子計算機你需要知道這些事

圖片來源：pixelparticle / Shutterstock

7月初，谷歌宣布將擴大其商用雲計算服務，包括量子計算。自5月以來，IBM也提供了類似的服務。不過大多數普通人平常並沒什麼地方需要用到這些服務。

但是，若能降低量子計算機的訪問和使用難度，將有助於提高世界各國政府、學術和企業研究團體繼續研究量子計算的能力。

想要了解量子的系統，就需要探索一個大多數人並不熟悉的物理領域。

根據生活經驗，我們熟悉物理學家口中的「經典力學」，它支配著我們肉眼所見的大部分世界，比如當汽車撞到建築物時產生的現象，扔一顆球的時候它的軌跡如何，以及為什麼在沙灘上拖動一個一個冷藏櫃會有那麼大的阻力。

但是量子力學描述的是一個亞原子的世界，裡面包括質子、電子和光子。量子力學的定律與經典力學有很大的不同，可能會導致一些意想不到的、違反我們直覺的結果，比如一個物體可以是負質量的。

量子物理學的簡要介紹

在我們的日常生活中，我們習慣了對存在的事物定義一個狀態。比如說，一個燈泡是開著還是關著的。

但是在量子的世界裡，物體可以處於一種所謂的疊加態：一個假想的原子級的電燈泡可以同時既是開啟的又是關閉的。而這個奇怪的特性對計算有著重要的影響。

經典力學中最小的信息單元——也就是現在經典的計算機中的——是位，它要麼是0要麼是1，但0和1不能同時存在。因此，每一個位元組都只能保存一個信息。

這些二進位的位可以表示成電脈衝、磁場變化、甚至是物理開關，它構成了當今計算機和信息網路的所有計算、存儲和通信的基礎。

量子位，則是經典力學中的單位，位，在量子力學中的等價物。

它們倆之間一個最基本的區別是，由於量子具有態疊加原理，因此量子位可以同時持有0和1的值。而且量子位的物理現實本質必須是在原子尺度上的：例如，作為電子自旋或光子偏振的單位。

用量子位計算

另一個不同之處在於，二進位的位可以獨立操作：在一個位置上翻轉一個0或1對其它位置沒有影響。但量子位則因為量子糾纏的特性，彼此相互依賴——即使它們相隔很遠。

這也意味著，在一台量子計算機上對一個量子位執行的操作可以同時影響到多個其它量子位。這種性質與並行處理有些類似但又不一樣，量子糾纏的特性使得量子計算比經典系統快得多。

大型的量子計算機，即擁有數百個量子位的量子計算機，目前還不存在，而且由於需要在原子水平進行操作和測量，因此很難構建。

例如，IBM的量子計算機目前有16個量子位，而谷歌承諾將在今年年底前推出49個量子位的量子計算機。這將是一個驚人的進步。

相比之下，目前的筆記本電腦內存有數千兆位元組，而每十億位元組就有80億經典力學的位。

一種強大的工具

儘管建造量子計算機有困難，但理論家們仍在探索它們的潛力。1994年，Peter Shor展示了量子計算機可以快速解決複雜的數學問題的能力，這些問題是所有常用的公共密鑰加密系統的基礎，比如那些為網路瀏覽器提供安全連接的程序。

而大規模的量子計算機將會完全危及到我們所知道的互聯網安全。密碼學家們正在積極探索新的公共密鑰演算法，這些演算法將具備「量子抗性」。

有趣的是，量子力學的規律也可以用來設計密碼系統。在某種意義上，它比經典計算機的模擬系統更安全。例如，量子密鑰允許雙方共享一個密碼，而且沒有任何一個人可以使用經典或量子計算機來重置。

蝌蚪五線譜編譯sciencealert，譯者 狗格格，轉載須授權

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