解说者 | 量子计算机乃何方神圣?

量子计算机很强大:

《人民日报》去年12月15日报道,中科大研发的量子计算机仅用200秒便求解出全球最快超级计算机“富岳”需6亿年才能解决的问题;

Science杂志于2020年12月3日报道,中科大潘建伟教授等人构建的基于76个光子的量子计算原型机“九章” 完成高斯玻色取样只需200秒。

但量子计算机究竟是什么?本期解读者栏目将力求用简单的语言解释这个问题。

顾名思义,量子计算机就是根据量子力学原理工作的计算机。好吧,好像并不清楚。

换个方向解释吧,量子计算机是如何工作的?

量子比特与量子叠加

要说清楚量子计算机的工作原理,需要先介绍一个概念——量子比特(qubit)。

量子比特是量子计算机的基本信息单元。与常规计算机使用的非0即1的二进制码不同,量子比特可同时以0和1的状态存在。这种不确定性来源于物理学中的量子叠加:一个量子系统能同时存在于多个分离的量子态中。

给量子叠加举个栗子——薛定谔的猫(Schrödinger’s Cat)。

薛定谔的猫涉及一个思想实验,它假定了这样一个场景:一只猫被关在一个密闭房间内。该房间里有一瓶装着剧毒气体的玻璃瓶,瓶上方有一个装有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率发生衰变。盒里还有一个机关侦测放射性原子是否发生衰变。若发生了衰变,机关将控制一个锤子砸碎玻璃瓶,释放出毒气,从而使猫死亡。

这只是个思想实验,没有人如此残忍地对待过一只猫。

但现在有一个问题。假定关猫的盒子不透明且隔音,不打开盒子的话便无法知道猫的死活。如果问猫是死是活,怎么回答?不打开盒子的话只能推断猫可能是死的,也可能是活的。

因此,现在盒子里关着一只既死且活的猫。

实际生活中并不会遇到这样的“幽灵猫”,但量子比特可以。量子比特可以同时具有两个或两个以上的多重状态(叠加态),这种现象就是量子叠加。

打破叠加态的方法是测量。例如,我们打开盒子后便知道了猫的生死。因为我们得到了确定的结果(非死即活),叠加态便不复存在,物理描述为叠加态坍缩到某一个量子态。打开盒子的过程就是测量

量子计算机的计算过程便涉及通过测量量子比特,使其量子态坍缩为0或1。

量子计算机与我们日常生活中接触的计算机甚至是超级计算机都有着巨大差别。普通计算机每一比特(byte)仅能存储两种可能状态:非0即1。但量子计算机不同。由于量子叠加,每个量子比特理论上可同时存储01这两种状态,这使得量子比特拥有比比特更大的信息存储能力。具有八比特的二进制计算机能表示0到255之间的任一个数字(28=256)。但具有8量子比特的量子计算机可同时表示0255之间的每个数字。

量子计算机正是通过量子叠加实现同时存储的大量信息的功能。因此,它们才能在处理复杂任务时,快速存储大量数据,探索多种可能并选择最有效的解决途径。

量子计算机的构建

量子比特的概念虽然抽象,但量子计算机并非虚幻。建造它们的理论基础已搭建好,尚需实现它们,这是一项艰巨的工程挑战。为什么?

量子比特本质上是处于叠加态的亚原子粒子,如电子、被束缚的离子或光子。实现量子比特的方法之一是通过激光脉冲操控粒子的激发态,使其处于叠加态之中。

量子比特周围环境的细微变化(如振动、电场、磁场、宇宙辐射等)都可能向量子比特输入能量,进而使叠加态坍缩,使量子比特失效。因此,量子比特需要密封在极冷、真空环境中以最大程度地避免任何干扰。这就为量子计算机的搭建带来了巨大挑战。

量子纠缠

各个量子比特可通过量子纠缠(quantum entanglement)联系在一起。

简单而言,当两个量子粒子纠缠在一起时,它们的量子态相同。改变任何一个粒子的量子态的任何属性都将瞬间改变另一个粒子的状态,即便二者相隔千山万水。实验表明,相距1203公里(一个位于地球上,另一个位于轨道卫星上)的两个光子之间也能发生纠缠。爱因斯坦将这种无处逃脱的联系称为“幽灵般的超距作用(spooky action at a distance)”。

互相纠缠的量子比特不仅能加密即时信息传递,还可让量子计算机的性能呈指数级增长。还是前文的例子,具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字。这只是8量子比特独立存在的情况。如果它们互相纠缠起来,或者和其他量子比特纠缠……整个纠缠的系统所能表示的数字超出笔者的想象。

量子计算机的用途

量子计算机目前还未用于日常,如收发邮件、制作表格或游戏等。对于这些活儿,传统的计算机就能很好应对。

量子计算机具有超强的执行复杂的计算、预测、模拟和数据搜索的能力,它们是解决复杂问题的工具。

例如,常规计算机难以对基于量子力学的系统建模,包括了解复杂材料的行为特性或为化学反应精确建模。因为这些系统的实质是量子力学,限制了常规计算机解析它们的能力。

量子计算机的另一个用途是解决那些需要大量重复探索或反复试验的问题。

假设某区域有一千个岛屿,互相以一条桥连接。我们需要找出一条路线,这条路线必须经过每个岛屿且每座桥只过一次。该问题的复杂性会随岛屿数量增多而急速增长。迄今为止,仍没有一款算法能比反复尝试更为高效。

这样近乎无休止的尝试对于一台传统计算机而言可能需要数年。量子计算机?可能仅数秒。

量子霸权

量子计算机这种令人惊愕的计算能力产生了量子霸权(quantum supremacy)的概念。量子霸权是指量子计算机胜过常规计算机或超级计算机,完成同样的任务消耗更短时间。由于该术语用词存有争议,一些研究人员提出以“量子优越性”或“量子优势”(quantum advantage)替代。

2019年,谷歌与美国国家航空航天局(NASA)和橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)合作宣布实现了量子优越性。他们研发的量子计算机在几秒内完成了一项任务,而该任务用超级计算机需数千年才能完成。

尽管这一成果被传得沸沸扬扬,但量子优越性是否确实实现,专家们各执一词。一个关键的争议点是量子计算机所得答案是否正确呢。因为其他类型计算机尚无法获得答案,人们对量子计算机给出的结果正确性无法准确验证。

挑战:量子计算机的大规模应用

保持量子比特的叠加态并非易事,最微小的环境变化也可能导致叠加态的坍缩,造成计算错误。科学家们正在研究这一挑战的应对之策。目前尚无一台没有误差且用途广泛的量子计算机。

对于量子计算机能否达到人们的高预期,专家们存有担忧。在美国,谷歌和IBM等公司争先恐后地引领量子计算机的研发,并预测将在几年内制造出通用量子计算机。但目前有专家认为,由于存在一些无法克服的功能和成本方面的障碍,量子计算机可能并不值得大费经费和时间。

量子计算机仍处于起步阶段。一旦能够大规模生产和应用,它们必将掀起一场技术革命!

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本文内容参考自Wiley Advanced Science News网站:

译者: 潘奕辰,天津大学化工学院硕士研究生。

校对、修改、润色:刘田宇,Wiley材料科学类期刊助理编辑。

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