文／陳根
1900年，普朗克在論文里首次提出了能量的不連續(xù)性，一腳踢開了量子力學(xué)的大門。在量子世界里，所有物質(zhì)都可以被還原成61種基本粒子。其中最重的基本粒子，質(zhì)量也不超過3．1×10＾－25千克。
20世紀(jì)40年代，圖靈精確定義了算法的含義，并描述了我們現(xiàn)在所稱的圖靈機(jī)（Turing machine）：可以執(zhí)行任何算法的單一通用可編程計(jì)算設(shè)備。此后，計(jì)算機(jī)逐漸發(fā)展成為了一個(gè)產(chǎn)業(yè)，并深刻改變了我們的生活。
1981 年，著名物理學(xué)家費(fèi)曼觀察到基于圖靈模型的普通計(jì)算機(jī)在模擬量子力學(xué)系統(tǒng)時(shí)遇到的諸多困難，進(jìn)而提出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)的設(shè)想。當(dāng)量子物理與計(jì)算機(jī)器狹路相逢，1985年，通用量子計(jì)算機(jī)概念終于誕生。
自此，量子力學(xué)進(jìn)入了快速轉(zhuǎn)化為真正的社會技術(shù)的進(jìn)程，人類在量子計(jì)算應(yīng)用發(fā)展的道路上行進(jìn)的速度也越來越快。如今，量子計(jì)算離我們已不再遙遠(yuǎn)。
從經(jīng)典計(jì)算到量子計(jì)算
通常來說，量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，它與現(xiàn)有計(jì)算模式完全不同。在理解量子計(jì)算的概念時(shí)，通常將它與經(jīng)典計(jì)算相比較。
在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計(jì)算機(jī)所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡單操作。
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由比特構(gòu)成的方式類似，量子計(jì)算機(jī)由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構(gòu)成，一個(gè)量子比特對應(yīng)一個(gè)狀態(tài)（state）。但是，比特的狀態(tài)是一個(gè)數(shù)字（0 或 1），而量子比特的狀態(tài)是一個(gè)向量。更具體地說，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量。這個(gè)向量空間稱為狀態(tài)空間。
經(jīng)典計(jì)算使用二進(jìn)制的數(shù)字電子方式進(jìn)行運(yùn)算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。于是，量子計(jì)算借助量子力學(xué)的疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算狀態(tài)的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)（superposition）。
普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲一個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11中的一個(gè)），而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時(shí)保持所有4個(gè)狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個(gè)時(shí)，量子處理器對n個(gè)量子位執(zhí)行一個(gè)操作就相當(dāng)于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個(gè)操作。
此外，加上量子糾纏的特性，量子計(jì)算機(jī)相較于當(dāng)前使用最強(qiáng)算法的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，理論上將在一些具體問題上有更快的處理速度和更強(qiáng)的處理能力。
近年來，量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢，而有關(guān)量子計(jì)算技術(shù)的突破多與三個(gè)因素有關(guān)，即量子比特能夠維持量子態(tài)的時(shí)間長度、量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量和對量子系統(tǒng)出錯(cuò)的把握。
量子比特能夠維持量子態(tài)的時(shí)間長度，被稱為量子比特相干時(shí)間。其維持“疊加態(tài)”（量子比特同時(shí)代表1和0）時(shí)間越長，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進(jìn)行的計(jì)算就越復(fù)雜。其中，IBM率先將量子技術(shù)引入實(shí)用計(jì)算系統(tǒng)，將量子比特相干時(shí)間提高到了100微秒。而當(dāng)量子比特相干時(shí)間達(dá)到毫秒級時(shí)，將足以支持一臺能夠解決當(dāng)今“經(jīng)典”機(jī)器解決不了的問題的計(jì)算機(jī)。
從量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量突破來看，2019年10月，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54個(gè)量子位處理器Sycamore，實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。具體來說，Sycamore能夠在200秒內(nèi)完成規(guī)定操作，而相同的運(yùn)算量在當(dāng)今世界最大的超級計(jì)算機(jī)Summit上則需要1萬年才能完成。這項(xiàng)工作是人類歷史上首次在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證了量子優(yōu)越性，也被《Nature》認(rèn)為在量子計(jì)算的歷史上具有里程碑意義。
除了解決量子比特的數(shù)量問題，由于當(dāng)量子比特失去相干性時(shí)，信息就會丟失，因此量子計(jì)算技術(shù)還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特。然后在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后，去對量子系統(tǒng)做量子糾錯(cuò)的操作。
基于此，研究人員借鑒經(jīng)典計(jì)算機(jī)里面糾錯(cuò)的概念，來確保最后總的等效的量子操作，可以達(dá)到比較高的保真度，開發(fā)了所謂的量子糾錯(cuò)。當(dāng)然，現(xiàn)階段的量子糾錯(cuò)還需要突破規(guī)模的門檻，但顯然不再是遙遙無期。
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