量子计算机与普通计算机工作原理的区别

 

本文介绍了量子计算机与普通计算机工作原理的区别。

量子计算是一个新兴的研究领域，科学家们利用量子力学，制造出具有革命性能力的计算机。虽然现在的量子计算机体积受限且容易出错，但未来的量子计算机可能超越世界上最强大的超级计算机，完成以前不可想象的任务！这意味着量子计算机可能会彻底改变我们的生活。

在本文中，我们将先了解普通计算机的工作原理，再深入探讨量子计算机为何潜能巨大。我们将特别关注它们强大力量的来源：微小粒子如何能同时处于多个状态？

普通计算机如何存储信息？

在我们探索量子计算的神奇世界之前，先来了解一下现在的计算机是如何存储信息的吧！计算机存储的基本单位叫做比特，每个比特可以存储一个值，要么是 0，要么是1。多个比特可以组合成有意义的信息。例如，6个比特可以组合成“101010”，表示数字42。组合成百万甚至亿万比特后，就可以存储更复杂的信息，如图片、视频和电子游戏。

比特是通过一种叫做晶体管的小型电子元件存储的。晶体管就像开关，开关关上表示0。反之，开关打开表示1。下图简单展示了这种逻辑如何来创建比特字符串，如“101010”。现代手机里包含了数十亿个紧密排列的晶体管来存储大量复杂信息。

图 1 - 晶体管如何存储信息的简单示意图。每个晶体管都可以是“开”（绿色）或“关”（红色）。如果晶体管是“开”，就表示 1；如果是“关”，就表示 0。在这里，我们用六个晶体管来存储二进制字符串“101010”，这代表数字42。

总结一下，现有的计算机通过数十亿个晶体管存储信息，每个晶体管存储一个比特（0或1），这些比特组合起来可以表示复杂信息。从历史的角度看，计算机发展的趋势遵循摩尔定律，即芯片上的晶体管数量大约每两年翻一倍。现代芯片可以在每平方毫米中容纳超过一亿个晶体管，但我们可能已经接近晶体管密度的物理极限，这也引发了关于摩尔定律是否“过时”的激烈讨论。

什么是“量子”计算机？

量子计算机是一种利用量子粒子的独特行为进行计算的设备。那么，“量子”这个词到底从哪里来，是什么意思呢？“量子”这一名称来自量子力学，它是一种描述微观世界的科学理论。量子力学与量子计算的关联在于，它告诉我们粒子是如何运动和相互作用的。量子力学描述了一个非常奇妙的世界，在这里，粒子可以在空间中扩展开来，同时处于不同的状态，还可以像海浪一样相互干扰[1]。量子世界的行为与我们日常生活中看到的、可预测的行为非常不同！虽然量子力学描述的粒子行为有点出人意料，但它是科学史上最精确的理论之一[2]。

量子力学最适合描述微小粒子的行为，比如电子、光子（光的粒子）和原子核，它们都展现出量子的行为，是典型的量子粒子。那么，这些粒子有哪些特性可以帮助我们制造强大的量子计算机呢？其中一个非常重要的特性就是叠加态。这种特性本质上能让量子粒子存储比晶体管更多的信息。

量子比特与薛定谔的猫之谜

量子计算机和普通计算机的主要区别在于，它们使用量子粒子而不是晶体管来存储信息、进行计算。就像我们把晶体管存储的信息称为“比特”一样，我们把量子粒子存储的信息称为“量子比特”或“量子位”。要理解为什么量子比特比普通比特更强大，我们首先要理解量子力学中的“叠加态”。

“叠加”这个词听起来可能有点吓人，但它的意思其实很简单，就是“同时处于多种状态”。虽然听起来很奇怪，但量子粒子确实可以处于各种叠加状态，比如它们可以同时在多个位置上，也可以在不同方向上运动。可以试着把粒子想象成在空间中扩散的波，而不是点状的粒子。

通过物理学上最知名的“猫”的故事，就能轻松理解量子叠加：这个故事是奥地利物理学家厄温·薛定谔在1935年想出来的[3]。故事的开头是把一只猫放进一个封闭的盒子里，同时放入一个放射性元素和一个毒药瓶。如果放射性物质随机发射出一个粒子，就会触发一个锤子打碎毒药瓶，从导致猫死亡（见图2）。你不需要在意毒药瓶是如何打碎的，只要知道这是一个无法提前预测的随机过程就行了。

图 2 - 薛定谔猫的思想实验

在这个实验中，放射性元素（一个带有黑色放射性标志的小蓝方块）可能随机发射出辐射。如果辐射发射出来，就会触发一系列反应，导致绿色毒药释放出来。在我们打开盒子之前，这只猫（假设中）处于“既死又活”的叠加状态。这个故事有点荒谬，但它是一个很好的类比，说明了量子粒子的行为——它们可以同时处于多种状态。

如果盒子保持密封，那么我们没有任何方法知道毒药是否已经释放，猫是否死去还是活着。薛定谔认为，在打开盒子之前，我们必须假设猫既是活的又是死的。换句话说，猫处于一种“既死又活”的叠加状态。然而，一旦我们打开盒子并观察里面的情况，这种叠加状态就会消失，我们就能确切地知道猫的状态。

虽然认为猫同时既死又活听起来确实很荒谬，但这个故事是一个非常好的类比，说明量子力学如何描述粒子的行为。例如，如果我们不去测量粒子的状态，它可以真的处于多种状态的叠加之中。但是一旦我们测量它的状态，这种叠加就会消失，它会“坍缩”到其中一种可能的状态。简单来说，粒子在叠加中可以保存大量信息，但当我们试图测量这种叠加状态时，我们只能得到其中一部分信息。

量子计算：倍增的力量

量子力学告诉我们，粒子有一种叫做自旋的内禀属性，自旋可以指向上方或下方[1]。为了便于理解，我们可以假设“自旋向上”表示数值1，而“自旋向下”表示数值0。所以，你可以看到，就像晶体管一样，量子粒子也可以存储信息（这里是量子比特）。我们还可以把多个量子粒子组合在一起，形成信息串。量子力学告诉我们，量子粒子可以同时处于“自旋向上”和“自旋向下”的叠加状态——也就是说，量子位可以同时存储数值0和1，而这对晶体管来说是不可能的（见图3）。

图 3 - 量子位同时处于1和0叠加状态的简单示意图

图中电子（用橙色圆圈表示）上的箭头指向电子的自旋方向。自旋可以是向上（值为1）或向下（值为0）。由于量子力学的叠加态原理，电子可以同时处于自旋向上和自旋向下的状态，因此可以同时存储1和0的值。

如果我们把两个量子位组合在一起，这个2量子位系统可以同时存储“00”、“01”、“10”和“11”（四种态），而2位的晶体管系统在同一时间只能存储其中一个状态。如果我们增加到3个量子位，就能同时存储“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”和“111”八种状态！实际上，如果我们组合n个量子位，那么可以同时存储2的n次方个状态。如果我们有50个量子位，就可以在同一时间存储超过一千万亿个状态——这让量子计算机可能比拥有数万亿个晶体管的超级计算机还能强大。这就是“倍增”的力量！不过，当我们测量量子计算机的状态时，这种叠加会消失，我们只能一次获得少量信息。这就像从一个大拼图中只选出一块。设计量子算法时，必须考虑到这一点。关键是要构建一种有效的量子算法，在叠加状态中检查所有可能性，并有策略地提取尽可能多的信息。

量子计算机正在逐步实现

今天，我们正处于量子计算的“中等规模含噪量子（NISQ）”时代，这意味着现有的量子计算机体积受限且容易出现较大错误。目前，大多数现有的量子计算机还不能实际应用[4]。不过，全世界的研究人员和创新企业正在努力，逐步开发更大、有防错功能的量子计算机。令人惊讶的是，在2023年，科学家们推出了首批拥有1000个量子位的计算机，但要降低这些机器的错误率还有很长的路要走[5]。尽管量子计算的未来仍然充满不确定性，但量子技术的进步可能为人类通信和信息处理开辟全新的前景。同时也带来一系列的挑战，例如确保这种强大的技术的使用是否审慎负责。但有一点似乎可以确定：量子计算将改变我们所生活的世界。

参考文献

[1] Griffiths, D. J., and Schroeter, D. F. 2018. Introduction to Quantum Mechanics, 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press (2018).

[2] Renner, R., and Nurgalieva, N. 2021. Testing quantum theory with thought experiments. Contemp. Phys. 61:193–216. doi: 10.1080/00107514.2021.1880075

[3] Schrödinger, E. 1983. “The present situation in quantum mechanics: A translation of Schrödinger’s “cat paradox paper”, in Quantum Theory and Measurement”, eds. J. A. Wheeler, W. H. Zurek (Princeton: Princeton University Press), 152–167.

[4] Chen, S., Cotler, J., Huang, H. Y., and Li, J. 2023. The complexity of NISQ. Nat. Commun. 14:6001. doi: 10.1038/s41467-023-41217-6

[5] Preskill, J. 2018. Quantum computing in the NISQ era and beyond. Quantum 2:79. doi: 10.22331/q-2018-08-06