近來，有關(guān)量子計算的新聞不斷刷屏。量子計算機的突破，為我們描繪著更快、更強的未來計算場景。然而，對于大多數(shù)人來講，量子計算機依然是“不明覺厲”的存在。

我們可能會發(fā)現(xiàn)，表述量子計算機能力水平的一個重要參數(shù)是它的量子比特數(shù)。無論是我國66比特的可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”，還是近日IBM公司宣布制造出的127個量子比特的量子計算機，量子比特都是一個繞不開的概念。那么，究竟什么是量子比特?它為什么在量子計算中“舉足輕重”?提高量子比特數(shù)的難點又在哪?

“既死又活”的薛定諤貓

量子比特是量子計算機的基本信息單元。與常規(guī)計算機使用的非0即1的二進制碼不同，量子比特可同時以0和1的狀態(tài)存在。這種不確定性來源于物理學(xué)中的量子疊加：一個量子系統(tǒng)能同時存在于多個分離的量子態(tài)中。

想要進一步理解量子疊加，就不得不提及著名量子物理學(xué)家薛定諤的那只“既死又活”的貓。

薛定諤的貓其實是一個思想實驗。它假定一只貓被關(guān)在一個密閉房間內(nèi)，房間里有一瓶裝著劇毒氣體的玻璃瓶，瓶上方有一個裝有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率發(fā)生衰變。盒里還有一個機關(guān)偵測放射性原子是否發(fā)生衰變。若發(fā)生了衰變，機關(guān)將控制一個錘子砸碎玻璃瓶，釋放出毒氣，從而使貓死亡。

但有一個問題出現(xiàn)了：假定關(guān)貓的盒子不透明且隔音，不打開盒子的話便無法知道貓的死活。如果問貓是死是活，怎么回答?不打開盒子的話只能推斷貓可能是死的，也可能是活的。

因此，現(xiàn)在盒子里關(guān)著一只“既死且活”的貓。雖然我們在實際生活中并不會遇到這樣的“幽靈貓”，但量子比特卻存在相似的情況。量子比特可以同時具有兩個或兩個以上的多重狀態(tài)(疊加態(tài))，這種現(xiàn)象就是量子疊加。

打破疊加態(tài)的方法是測量。例如，我們打開盒子后便知道了貓的生死。因為我們得到了確定的結(jié)果(非死即活)，疊加態(tài)便不復(fù)存在，物理描述為疊加態(tài)坍縮到某一個量子態(tài)。這個打開盒子的過程就是測量。

量子計算機的計算過程便涉及通過測量量子比特，使其量子態(tài)坍縮為0或1。這就使得量子計算機與我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的計算機甚至是超級計算機都有著巨大差別。普通計算機每一比特(byte)僅能存儲兩種可能狀態(tài)：非0即1。但量子計算機不同。由于量子疊加，每個量子比特理論上可同時存儲0或1這兩種狀態(tài)，這使得量子比特擁有比比特更大的信息存儲能力。比如，由于2的8次方等于256，故具有8比特的二進制計算機能表示0到255之間的任一個數(shù)字。但具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字。

量子計算機正是通過量子疊加實現(xiàn)同時存儲大量信息的功能。因此，它們可以在處理復(fù)雜任務(wù)時，快速存儲大量數(shù)據(jù)，探索多種可能并選擇最有效的解決途徑。

量子計算機搭建面臨巨大挑戰(zhàn)

量子比特的概念雖然抽象，但量子計算機并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好，但是要實現(xiàn)它們，還要面臨一項艱巨的挑戰(zhàn)。

量子比特本質(zhì)上是處于疊加態(tài)的亞原子粒子，如電子、被束縛的離子或光子。量子比特周圍環(huán)境的細微變化，比如振動、電場、磁場、宇宙輻射等，都可能向量子比特輸入能量，進而使疊加態(tài)坍縮，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在極冷、真空環(huán)境中以最大程度地避免任何干擾。這就是量子計算機的搭建面臨的巨大挑戰(zhàn)。

正是由于保持量子比特的疊加態(tài)是件非常困難的事，最微小的環(huán)境變化也可能導(dǎo)致疊加態(tài)的坍縮，造成計算錯誤。所以，目前世界上還沒能造出一臺沒有誤差、且用途廣泛的量子計算機。

量子計算機的巨大潛力，還與量子力學(xué)中的另一個著名概念“量子糾纏”有關(guān)，即各個量子比特可通過量子糾纏聯(lián)系在一起。

簡單而言，當兩個量子粒子糾纏在一起時，它們的量子態(tài)相同。改變?nèi)魏我粋€粒子的量子態(tài)的任何屬性都將瞬間改變另一個粒子的狀態(tài)，即便二者相隔千山萬水。愛因斯坦將這種無處逃脫的聯(lián)系稱為“幽靈般的超距作用”。

互相糾纏的量子比特不僅能加密即時信息傳遞，還可讓量子計算機的性能呈指數(shù)級增長。比如，具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字，這只是8量子比特獨立存在的情況。如果它們互相糾纏起來，或者和其他量子比特糾纏……整個糾纏的系統(tǒng)所能表示的數(shù)字將遠遠超出人們的想象。

而這正是量子計算機無比誘人的魅力所在。盡管量子計算機仍處于起步階段，但一旦能夠大規(guī)模應(yīng)用，其必將掀起一場顛覆性的革命。(吳長鋒)

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