七分钟了解什么是量子计算机

 

在人类历史上，科技曾经意味着人类思考能力、利用火的能力和使用长矛的能力

随着发展，火与长矛已经被核电厂与核武器替代

相较之下人类的思考能力的进步就显得更加惊人

自20世纪60年代以来，用于增强我们思考能力的机器——计算机

其性能已经依指数倍增长，不仅更小，且更为强大

但它也已经接近了现代物理上的极限

计算机元器件目前的尺寸大小已经接近单个原子

为了说明，让我们先来补充一些基本知识

《简而言之》-Kurzgesagt制作

计算机由一些非常基本的元件构成

它们只能完成一些非常基本的任务

例如展示数据、处理数据和控制数据流

计算机芯片的重要组成，逻辑门，是由晶体管构成的

晶体管是使计算机能够处理数据的最基本单元

从功能上来说，它像是一个开关，可以阻挡或者允许信号通过

这些信号组成了数据，也即是比特

对于一个比特来说，它可以是0或者是1

经过人为定义，一组比特可以用来表示更复杂的数据

晶体管被用来组成各种逻辑门，他们仍然只完成很简单的工作

打个比方，“与”逻辑门只在两个输入信号都为1的时候输出1，其它时候则输出0

再讲逻辑门组合到一起，才能完成一些类似将两个数值相加这样更有意义的工作

既然能够将数值相加，那自然也可以将数值相乘

以此类推，其它更复杂的操作自然也不在话下

由于这些基本运算小学一年级学生都能够轻松完成

你可以把计算机想象成一群能够完成基本数学运算的7岁小学生

当他们的数量达到一定规模，你就可以让他们完成任何类型的复杂运算，

只要每个步骤足够简单

不论是做天体物理学，还是玩赛尔达，都不在话下

但是，随着基本元件越来越小

量子物理学原理会导致元件特性发生显著变化

简而言之，一个晶体管只是一个小开关

电流微观上看就是向特定方向运动的一个个电子

所以这个开关可以选择阻挡这些电子，或者允许它们通过

如今，一个普通晶体管的大小仅有14纳米

它只有HIV病毒的1/9大

比血红细胞小500倍

由于晶体管现在已经缩小到仅有数个电子大小

电子有的时候会无视阻碍，直接通过一个已经关闭的开关

这种现象叫做量子隧道效应

在量子尺寸上，传统物理学并不适用，许多物理现象都极为反常

所以传统的计算机会无法正常工作

我们目前遇到了真正意义上的“物理”屏障，阻碍了我们的科技继续发展

为了解决这个问题

科学家正尝试更好地应用量子物理学特性

以研制量子计算机

在传统计算机中，比特是最小的信息单位

在量子计算机中，量子比特也可以被设定为两个值中的任意一个

一个量子比特可以由任意二阶量子系统组成

例如一个同时具有磁场和自弦的系统，或者单一一个光子

这个系统可以存在0和1两种状态

就如光子可以水平极化或者垂直极化

在微观量子世界中，量子比特可以同时处于多种状态

它可以是几种不同量子态中的任意几种的归一化线性组合

这种状态称为量子叠加态

不过，一旦你尝试通过光子探测器去确定它的值

它就会立刻变化为水平极化或者垂直极化状态中的一种

所以只要它不被探测器观察

量子比特就会处于叠加态，即同时等于0和1，无法预测确定的值

在被观察的一瞬间

它就会坍塌为两种状态中的一种

量子叠加态这种特性带来了巨大的变革

传统比特表示的数据在某一特定时间点只能处于2的4次方种组合中的一种

即16种可能的组合，你只能选用其中的一种

但对处于叠加态的量子比特表示的数据来说，你可以认为它同时处于这16种组合中的所有状态

每增加一位量子比特，能够表示的数据就呈指数倍增长

仅20位量子比特就已经可以同时表示百万种不同的组合

量子比特另一个令人觉得难以置信的特性就是它们可以处于纠缠态

某种紧密的联系使得一个量子比特上发生的变化会立刻反应在另一个相关联的量子比特上

无论它们离得多远

这意味着只要通过观察知道其中一个的状态

另一个的状态也就不言而喻了

对量子比特的操纵也相当令人困惑

普通的逻辑门由一组输入给出一个确定状态的输出

量子门则用于操纵处于叠加态的量子比特，改变这个量子比特被观察时可能出现的状态

并最终输出一个叠加态与之前不同的量子

因此，量子计算机会设置一些量子比特，并用量子门让它们处于纠缠态，并操纵它们各个状态出现的可能性

再通过观察它们使叠加态坍塌，可能的输出序列中的一种就会出现

这意味着你可以同时进行多组不同的运算

最终，它的结果会是你所期望的结果中的一种

所以，你可能会希望多验算几次

不过，恰当的利用量子纠缠态和叠加态

在某些时候它的运算效率将大大超过普通计算机

因此，即便量子计算机在某些方面上仍然表现平平

但在其它时候，它将能获得得天独厚的优势

例如在进行数据库检索的时候

传统计算机需要测试数据库中所有可能的匹配才能找到答案

但使用量子计算机的匹配算法寻找答案可以节省一个指数量级的时间

当数据库足够大时，这种优势是不可小觑的

量子计算机在计算机安全领域有非常重要的应用

目前的加密系统能够在我们浏览电子邮件或者查询银行数据时确保我们的安全

通过公开分发的公钥加密的数据只能有对应私钥的持有者才能解密

但问题在于，获得公钥之后是可以通过数学方法计算私钥的

但要用这些数学方法计算私钥，传统计算机可能要耗费数年

但量子计算机可以呈指数倍地加快这个计算过程

量子计算机也可以用于模拟量子现象

模拟量子现象的运算通常需要耗费海量的资源

即便以更大的分子作为模拟对象进行运算，精度也难以令人满意

利用量子计算机模拟量子现象就显得理所当然了

模拟量子现象能够帮助我们了解各种蛋白质的特性，并带来医学上的变革

就目前来说，我们还不知道量子计算机是否只是一个在特定领域表现出众的工具

还是给人类带来下一次变革的巨大发现

我们目前也还不知道科技能带我们走到多远

显然，只有一种方法能让我们知道答案

这部短片由澳洲科学院赞助

用以促进和支持卓越的科学成就