“遇事不决，量子力学”：到底什么是量子计算

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| 刘润

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作 者

| 刘润

10月16日下午，国家领导就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。

清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤就这个问题进行了讲解，并提出了意见和建议。

量子科技，量子计算机等词汇一下子刷了屏。

但对我们很多普通人来说，量子科技这个离我们太远，而且很多人提起量子计算，的第一反应，就是骗人的。

为什么？

比如，我说下下面这些词，你是否听过？

量子针灸、量子床垫、量子空气净化器、量子眼镜、量子内衣等等。

朋友圈里还流传一个很广的顺口溜：遇事不决、量子力学；解释不通、穿越时空。

总之，就欺负我们普通人不懂，搞出这些特别高深的词，唬人。

那么，量子科技、量子计算机到底是怎么回事呢？

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到底什么是计算？

有人可能会说，计算还不简单，就是算术吗，1+2=3就是计算。对，没错。1+2=3，就是计算。那计算机呢？就是运算1+2=3这个计算的机器，或者说系统。我们找到一个计算器，通过按键，输入1+2，然后按“=”，计算器经过计算，就会得出结果：3。这个计算器就是一个计算机，有输入，通过运算得出结果的系统。如果说一个输入后，就能通过运算得出结果的系统就是计算机的话。那我们小时候学习计算用的数手指头，是不是计算机呢？是。同样计算1+2=3，我们是不是一只手，比划出1，另一只手比划出2，然后两只手合在一起，一数，就得出了答案3。这时，我们伸出“1”&“2”的两只手，就是输入，两只手合在一起就是运算，三根手指就是答案。所以，这当然是一个计算机，你可以叫它手指计算机。那么，到底什么是计算？计算，就是一个输入之后，通过运算，能得出结果的物理系统，这就是计算。甚至，按照这个概念，我们再延伸一下。我们用电饭煲做米饭。把米和水放进电饭煲里，盖上盖启动，最后得出香喷喷的米饭。这是不是计算？这其实也是计算。加入米和水就是输入，电饭煲通过加热等煮饭过程就是运算，香喷喷的米饭就是结果。所以，到底什么是计算？只要按照需求完成输入、运算和输出的物理系统都是计算。这时，决定这个计算系统的能力，也就变成了由这个计算系统是一个什么样的物理系统，以及我们对它规则的掌控程度所决定。

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什么是量子计算？

在了解量子计算之前，为什么我们要花篇幅介绍，到底什么是计算？那是因为，量子计算和我们现在熟知的计算系统从最底层逻辑上就有本质的不同。就以电子计算机和量子计算机的不同来说。我们熟知的电子计算机，是通过控制电子来实现输入、运算、输出这个系统，它遵循的是经典的电磁规律。那量子计算机呢？量子计算机是利用量子力学规律操控的一个物理系统，它遵循的是量子力学。而通过量子力学操控的这个物理系统，其实和电子计算机一样，也是操控比特。只不过，量子计算机，操控的是量子比特。可能有对计算机不熟悉的朋友，不知道比特是什么，更别提量子比特了。简单来说，比特是信息量的最小单位。在经典计算机（我们熟知的电子计算机）中，每个0或1就是一个比特。8比特就是一个字节；1024字节就是1KB；1024KB就是1MB（一兆B）；1024MB就是1GB。我们现在的很多智能手机，都是128G，256G的存储空间。所以，比特是信息量的最小单位，每个0或者1就是一比特。那量子比特呢？与电子计算机中的比特不同的是，一个量子比特不但可以是0，还可以是1；而且一个量子比特不只是能让0和1同时存在，还可以控制“0”和“1”的占比。这就是量子计算和经典计算的本质不同，量子计算机是利用量子力学规律操控一个物理系统，而量子计算机所操控的量子比特，既可以代表0，又可以代表1。这种状态在量子力学中称作“量子叠加态”。

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什么是量子叠加态？

量子叠加态，这种既可以代表0，又可以代表1的状态，因为我们平时没接触过，会非常难以理解。你可能听说过“薛定谔的猫”，就是把一只猫和一瓶毒药关在一个盒子里。如果你打开这个盒子，那么这只猫只有两种可能，要么活着，要么死了。但是如果你不打开这个盒子呢？你怎么描述这个盒子里的猫，它的状态是什么？因为你不知道盒子里的情况，所以这只猫就处于既生又死的叠加态状态。量子比特既是0，又是1，也就是大概这个意思。那这种量子叠加态有什么意义，经典一个比特不也是能表示两个状态吗，要么是1，要么是0。量子叠加态的重要意义不是一个量子比特可以表示0和1，而是一个量子比特可以同时代表0和1，甚至可以控制他们的百分比。而经典比特是要么是1，要么是0 ，从时间上来说，就是先是1，后是0。是有先后关系的。如果这样说还有点抽象。那我们再打个走迷宫的比方。经典计算机中，或者我们想象中一个人怎么走迷宫？你是不是要沿着一条路走，遇到一个岔路怎么办？你只能先走其中一条路，如果不对，你会返回来再走另一条。所以，如果有1个岔路，也就是2条路，理论上你可能要走2次，才能走出迷宫。如果，有2个岔路，4条路，只有1个出口呢？那你就有可能要走4次，才能走出迷宫。如果是，1000条路，只有1个出口呢？你就真的有可能要走1000次，才能走出迷宫。那量子计算呢？它是怎么处理的？它只需要走一次。因为量子叠加态的特性。它可以同时走2条路、4条路、1000条路。这就是量子叠加态的重要特性。你可以把它理解成这时候走迷宫的不是我们普通人，而是孙悟空。它可以吹一根毫毛变出千万个。我们要一条路，一条路地走。它就可以成千上万条路一起走。这就是量子叠加态。理解了什么是量子叠加态，那这种特性对计算有什么帮助呢？其实通过上面走迷宫的例子，应该就能看出来，因为量子可以同时走成千上万条路。这种特性，会指数级提高信息处理的速度。

文章来源：《力学学报》 网址: http://www.lxxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1109/421.html