現(xiàn)在，是否發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)問(wèn)題？
電腦越小，功能似乎就越強(qiáng)大:21世紀(jì)的手機(jī)比50年前房間大小的軍用電腦擁有更多的數(shù)字處理能力。
然而，盡管取得了如此驚人的進(jìn)步，仍然有許多復(fù)雜的問(wèn)題，即使是世界上功能最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)也無(wú)法解決，而且也不能保證我們能夠解決這些問(wèn)題。
一個(gè)問(wèn)題是，被稱(chēng)為晶體管的計(jì)算機(jī)的基本開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)單元，現(xiàn)在正接近它們很快就會(huì)變成單個(gè)原子那么小的地步。如果我們想要比現(xiàn)在更小更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，我們很快就需要用一種完全不同的方式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。以量子計(jì)算的形式進(jìn)入原子領(lǐng)域開(kāi)啟了強(qiáng)大的新可能性，處理器的工作速度可能比我們今天使用的處理器快數(shù)百萬(wàn)倍。
聽(tīng)起來(lái)很神奇，但問(wèn)題是量子計(jì)算比傳統(tǒng)計(jì)算要復(fù)雜得多，而且運(yùn)行在量子物理的愛(ài)麗絲夢(mèng)游仙境中，在那里“經(jīng)典的”、合理的、日常的物理定律不再適用。
什么是量子計(jì)算?它是如何工作的?
讓我們仔細(xì)看看!
圖:量子計(jì)算意味著使用單個(gè)原子、離子、電子或光子存儲(chǔ)和處理信息。
從好的方面看，這為更快的計(jì)算機(jī)打開(kāi)了可能，但缺點(diǎn)是，設(shè)計(jì)能夠在量子物理的奇怪世界中運(yùn)行的計(jì)算機(jī)的復(fù)雜性更大。
什么是傳統(tǒng)計(jì)算?
你可能認(rèn)為電腦是放在你腿上的一個(gè)小巧玲瓏的小玩意兒，它可以讓你發(fā)電子郵件、網(wǎng)上購(gòu)物、和朋友聊天或玩游戲——但它的功能遠(yuǎn)不止這些。
更重要的是，因?yàn)樗且粋€(gè)完全通用的機(jī)器:可以讓它做幾乎任何你喜歡的事情。它更小，因?yàn)樗膬?nèi)部只是一個(gè)非?；镜挠?jì)算器，遵循一組預(yù)先安排好的指令，稱(chēng)為程序。
就像《綠野仙蹤》(WizardofOz)一樣，你眼前看到的那些神奇的東西掩蓋了一些非常平凡的東西。
圖:這是一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)電電路板上晶體管的樣子。在計(jì)算機(jī)中，晶體管要比這個(gè)小得多，而且數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管被封裝在微芯片上。
傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有兩個(gè)非常好的技巧:它們可以將數(shù)字存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算(如加減法)處理存儲(chǔ)的數(shù)字。他們可以通過(guò)將簡(jiǎn)單的操作串在一起組成一個(gè)稱(chēng)為算法的系列來(lái)做更復(fù)雜的事情(例如，乘法可以作為一系列加法來(lái)完成)。
計(jì)算機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)——存儲(chǔ)和處理——都是使用一種叫做晶體管的開(kāi)關(guān)來(lái)完成的，它就像你墻上用來(lái)開(kāi)關(guān)燈的開(kāi)關(guān)的微觀版本。
晶體管可以開(kāi)或關(guān)，就像光可以亮或不亮一樣。如果是開(kāi)著的，我們可以用晶體管來(lái)存儲(chǔ)1(1);如果關(guān)閉，它將存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)字0(0)。長(zhǎng)串的1和0可以用來(lái)存儲(chǔ)任何數(shù)字、字母或符號(hào)，使用基于二進(jìn)制的代碼(因此計(jì)算機(jī)將大寫(xiě)字母a存儲(chǔ)為1000001，小寫(xiě)字母a存儲(chǔ)為01100001)。
每個(gè)0或1都被稱(chēng)為二進(jìn)制數(shù)字(或位)，使用一個(gè)由8位組成的字符串，您可以存儲(chǔ)255個(gè)不同的字符(例如a-z、a-z、0-9和最常見(jiàn)的符號(hào))。計(jì)算機(jī)通過(guò)一種叫做邏輯門(mén)的電路來(lái)計(jì)算，邏輯門(mén)是由許多連接在一起的晶體管組成的。
邏輯門(mén)比較存儲(chǔ)在稱(chēng)為寄存器的臨時(shí)存儲(chǔ)器中的位的模式，然后將它們轉(zhuǎn)換成新的位的模式——這相當(dāng)于我們?nèi)祟?lèi)大腦所稱(chēng)的加法、減法或乘法。在物理術(shù)語(yǔ)中，執(zhí)行特定計(jì)算的算法采用由多個(gè)邏輯門(mén)組成的電子電路的形式，一個(gè)門(mén)的輸出作為下一個(gè)門(mén)的輸入。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的問(wèn)題在于它們依賴(lài)于傳統(tǒng)晶體管。如果你看看過(guò)去幾十年電子技術(shù)取得的驚人進(jìn)步，這聽(tīng)起來(lái)可能不是一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)晶體管在1947年被發(fā)明出來(lái)的時(shí)候，它所取代的開(kāi)關(guān)(被稱(chēng)為真空管)只有你拇指那么大?，F(xiàn)在，一種最先進(jìn)的微處理器(單片計(jì)算機(jī))在一塊指甲大小的硅芯片上封裝了數(shù)億個(gè)(最多300億個(gè))晶體管!像這樣的芯片，被稱(chēng)為集成電路，是小型化的驚人壯舉。
早在20世紀(jì)60年代，英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾就意識(shí)到，計(jì)算機(jī)的能力在大約18個(gè)月的時(shí)間里就翻了一番——從那以后一直如此。這一明顯不可動(dòng)搖的趨勢(shì)被稱(chēng)為摩爾定律。
圖片:USB閃存棒上的存儲(chǔ)芯片
這個(gè)記憶芯片從一個(gè)典型的USB棒包含一個(gè)集成電路，可以存儲(chǔ)512兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。這大約是5億個(gè)字符(準(zhǔn)確地說(shuō)是536870912個(gè))，每一個(gè)都需要8個(gè)二進(jìn)制數(shù)字——所以我們說(shuō)的是一個(gè)郵票大小的區(qū)域里總共有40億個(gè)晶體管(4,294,967,296個(gè))!
這聽(tīng)起來(lái)很神奇，確實(shí)如此，但它沒(méi)有抓住重點(diǎn)。需要存儲(chǔ)的信息越多，需要存儲(chǔ)的二進(jìn)制1和零(以及晶體管)就越多。
由于大多數(shù)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一次只能做一件事，所以您希望它們解決的問(wèn)題越復(fù)雜，它們需要采取的步驟就越多，所需的時(shí)間也就越長(zhǎng)。有些計(jì)算問(wèn)題非常復(fù)雜，它們需要的計(jì)算能力和時(shí)間比任何現(xiàn)代機(jī)器所能合理提供的都要多；計(jì)算機(jī)科學(xué)家稱(chēng)這些問(wèn)題為棘手的問(wèn)題。
隨著摩爾定律的發(fā)展，棘手問(wèn)題的數(shù)量也在減少:計(jì)算機(jī)變得更強(qiáng)大，我們可以用它們做更多的事情。問(wèn)題是，晶體管是我們所能制造的最小的:我們已經(jīng)到了物理定律似乎可以阻止摩爾定律的地步。不幸的是，仍然有一些非常困難的計(jì)算問(wèn)題是我們無(wú)法解決的，因?yàn)榧词故亲顝?qiáng)大的計(jì)算機(jī)也發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題很難解決。
這就是為什么人們現(xiàn)在對(duì)量子計(jì)算感興趣的原因之一。
什么是量子計(jì)算?
量子理論是物理學(xué)的一個(gè)分支，研究原子及其內(nèi)部較小的(亞原子)粒子的世界。
你可能認(rèn)為原子的行為和世界上其他任何東西都是一樣的，以它們自己的微小方式——但那不是真的:在原子尺度上，規(guī)則在變化，我們?cè)谌粘Ｉ钪辛?xí)以為常的“經(jīng)典”物理定律不再自動(dòng)適用。
正如20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一理查德·p·費(fèi)曼(RichardP.Feynman)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)的那樣:“非常小的尺度上的事物，其行為與你的任何直接經(jīng)驗(yàn)都不一樣……或者像你所見(jiàn)過(guò)的任何東西?！?/p>
如果你學(xué)過(guò)光，你可能已經(jīng)對(duì)量子理論有所了解。你可能知道，一束光有時(shí)表現(xiàn)得好像它是由粒子組成的(像一股穩(wěn)定的炮彈流)，有時(shí)又好像是能量波在空間中波動(dòng)(有點(diǎn)像海浪)。這被稱(chēng)為波粒二象性這是量子理論中的一個(gè)概念。
很難理解一個(gè)東西可以同時(shí)是兩種東西——粒子和波——因?yàn)樗c我們的日常經(jīng)驗(yàn)完全不同:汽車(chē)不是同時(shí)是自行車(chē)和公共汽車(chē)。然而，在量子理論中，這就是可能發(fā)生的瘋狂的事情。
這方面最引人注目的例子是一個(gè)叫薛定諤的貓。簡(jiǎn)而言之，在量子理論的奇異世界里，我們可以想象這樣一種情況，這只貓可以同時(shí)活著和死了!
那這一切跟電腦有什么關(guān)系嗎?
假設(shè)我們繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律——繼續(xù)把晶體管做得更小，直到它們不再遵循普通的物理定律(比如老式的晶體管)，而是遵循更奇異的量子力學(xué)定律。問(wèn)題是，以這種方式設(shè)計(jì)的電腦是否能做我們傳統(tǒng)電腦做不到的事情。如果我們能從數(shù)學(xué)上預(yù)測(cè)它們可能會(huì)，我們能在實(shí)踐中讓它們像那樣工作嗎?
幾十年來(lái)，人們一直在問(wèn)這些問(wèn)題。IBM研究物理學(xué)家RolfLandauer和CharlesH.Bennett是第一批。蘭道爾在20世紀(jì)60年代開(kāi)啟了量子計(jì)算的大門(mén)，當(dāng)時(shí)他提出信息是一種可以根據(jù)物理定律操縱的物理實(shí)體。
這樣做的一個(gè)重要后果是，計(jì)算機(jī)在操作內(nèi)部的比特時(shí)會(huì)浪費(fèi)能量(這也是計(jì)算機(jī)消耗如此多的能量并變得如此熱的部分原因，盡管它們似乎并沒(méi)有做太多事情)。
20世紀(jì)70年代，班尼特在蘭道爾研究的基礎(chǔ)上，展示了計(jì)算機(jī)如何通過(guò)“可逆”的方式來(lái)繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題，這意味著量子計(jì)算機(jī)可以在不消耗大量能量的情況下進(jìn)行大規(guī)模復(fù)雜的計(jì)算。
1981年，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家保羅·貝尼奧夫(PaulBenioff)試圖設(shè)想出一種基本的機(jī)器，它的工作原理與普通電腦類(lèi)似，但要遵循量子物理學(xué)的原理。
第二年，理查德·費(fèi)曼粗略地勾勒出一臺(tái)使用量子原理的機(jī)器是如何進(jìn)行基本計(jì)算的。
幾年后，牛津大學(xué)的DavidDeutsch(量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物之一)更詳細(xì)地描述了量子計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)。
這些偉大的科學(xué)家是如何想象量子計(jì)算機(jī)可能工作的呢?
量子+計(jì)算=量子計(jì)算
普通計(jì)算機(jī)位、寄存器、邏輯門(mén)、算法等的關(guān)鍵特性在量子計(jì)算機(jī)中具有類(lèi)似的特性。量子計(jì)算機(jī)不是比特，而是量子比特或量子位，它們以一種特別有趣的方式工作。
一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)0或1，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)0、1、0和1，也可以存儲(chǔ)介于0和1之間的無(wú)窮多個(gè)值——并且同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)(存儲(chǔ)多個(gè)值)!
如果這聽(tīng)起來(lái)讓人困惑，那就把光想象成粒子和波同時(shí)存在，薛定諤的貓是活的還是死的，或者汽車(chē)是自行車(chē)和公共汽車(chē)?？紤]量子位存儲(chǔ)的一種更溫和的方法是通過(guò)疊加的物理概念(兩個(gè)波相加，形成包含兩個(gè)原始波的第三個(gè)波)。
如果你吹笛子之類(lèi)的東西，管子里就會(huì)充滿(mǎn)駐波:由基頻(你演奏的基本音符)和許多泛音或諧波(基頻的高頻倍數(shù))組成的波。管道內(nèi)的波同時(shí)包含所有這些波:它們被加在一起形成一個(gè)包含所有這些波的組合波。量子位使用疊加以類(lèi)似的方式同時(shí)表示多個(gè)狀態(tài)(多個(gè)數(shù)值)。
正如量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)數(shù)字一樣，它也可以同時(shí)處理多個(gè)數(shù)字。它可以并行工作(同時(shí)做多件事)，而不是串行工作(按順序一次做一件事)。只有當(dāng)你試圖找出它在任何給定時(shí)刻的實(shí)際狀態(tài)時(shí)(換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)測(cè)量它)，它才會(huì)“折疊”成它可能的狀態(tài)之一——這就給了你問(wèn)題的答案。
據(jù)估計(jì)，量子計(jì)算機(jī)并行工作的能力將使其速度比任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)百萬(wàn)倍。要是我們能建造它就好了!可是我們應(yīng)該怎么做呢?
量子計(jì)算機(jī)在現(xiàn)實(shí)中會(huì)是什么樣子?
在現(xiàn)實(shí)中,量子位必須存儲(chǔ)在原子,離子(原子電子過(guò)多或過(guò)少),或更小的事情如電子和光子(能量包),所以量子計(jì)算機(jī)是幾乎像一種桌面版本的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室或者CERN粒子物理實(shí)驗(yàn)。
圖:單個(gè)原子可以被困在一個(gè)光學(xué)腔內(nèi)——鏡子之間的空間——并由激光束的精確脈沖控制。
實(shí)際上，利用激光束、電磁場(chǎng)、無(wú)線(xiàn)電波和各種各樣的其他技術(shù)，有許多可能的方法來(lái)包含原子并改變它們的狀態(tài)。
一種方法是用量子點(diǎn)來(lái)制造量子位元，量子點(diǎn)是一種納米尺度的半導(dǎo)體微粒，其中的單個(gè)載流子、電子和空穴(缺失的電子)可以被控制。
另一種方法使得從所謂的離子量子位陷阱:你添加或帶走電子從一個(gè)原子離子,拿穩(wěn)它在一種激光焦點(diǎn),然后用激光脈沖翻轉(zhuǎn)到不同的區(qū)域。
在另一種技術(shù)中，量子位元是光學(xué)腔(極小的鏡子之間的空間)中的光子。
如果你不明白，沒(méi)關(guān)系。由于整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域在很大程度上仍然是抽象和理論的，我們唯一真正需要知道的是，量子位元是由原子或其他量子尺度的粒子存儲(chǔ)的，這些粒子可以以不同的狀態(tài)存在，并在它們之間進(jìn)行切換。
量子計(jì)算機(jī)能做普通計(jì)算機(jī)做不到的事情嗎?
盡管人們經(jīng)常認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)一定會(huì)自動(dòng)地比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)好，但這絕不是肯定的。
到目前為止，我們唯一確定量子計(jì)算機(jī)比普通計(jì)算機(jī)做得更好的事情就是因式分解:找到兩個(gè)未知素?cái)?shù)，當(dāng)它們相乘時(shí)，得到第三個(gè)已知數(shù)。
1994年，數(shù)學(xué)家彼得·肖爾在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，演示了一種量子計(jì)算機(jī)可以遵循的算法，這種算法可以找到大量數(shù)字的“質(zhì)因數(shù)”，這將極大地加快問(wèn)題的速度。
肖爾的算法確實(shí)激發(fā)了人們對(duì)量子計(jì)算的興趣，因?yàn)閹缀趺颗_(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(以及每一個(gè)安全的在線(xiàn)購(gòu)物和銀行網(wǎng)站)都使用公鑰加密技術(shù)，這種技術(shù)基于快速找到主要因素的虛擬不可能性(換句話(huà)說(shuō)，它本質(zhì)上是一個(gè)“棘手”的計(jì)算機(jī)問(wèn)題)。
如果量子計(jì)算機(jī)確實(shí)能夠快速分解大量數(shù)據(jù)，那么今天的在線(xiàn)安全可能會(huì)被一舉淘汰。量子技術(shù)將帶來(lái)更強(qiáng)大的加密形式。
(2017年，中國(guó)研究人員首次展示了如何利用量子加密技術(shù)在北京和維也納之間進(jìn)行非常安全的視頻通話(huà)。)
這是否意味著量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更好?
除了肖爾算法和一種叫做格羅弗算法的搜索方法，幾乎沒(méi)有其他的算法能比量子方法更好地執(zhí)行。
只要有足夠的時(shí)間和計(jì)算能力，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最終還是能夠解決量子計(jì)算機(jī)能夠解決的任何問(wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)總體上優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)還有待證明，尤其是考慮到實(shí)際制造它們的困難。誰(shuí)知道傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在未來(lái)50年將如何發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)的想法可能變得無(wú)關(guān)緊要，甚至荒謬可笑。
圖:量子點(diǎn)可能是最著名的彩色納米晶體，但它們也可以在量子計(jì)算機(jī)中用作量子位元。
量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)?
在量子計(jì)算機(jī)首次被提出30年后，它在很大程度上仍停留在理論階段。盡管如此，在實(shí)現(xiàn)量子機(jī)器方面已經(jīng)取得了一些令人鼓舞的進(jìn)展。
2000年有兩個(gè)令人印象深刻的突破。首先，IsaacChuang(現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院的教授，但當(dāng)時(shí)在IBM的Almaden研究中心工作)用五個(gè)氟原子制造了一臺(tái)粗糙的五量子位量子計(jì)算機(jī)。
同年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LosAlamosNationalLaboratory)的研究人員想出了用一滴液體制造7量子位元機(jī)器的方法。五年后，因斯布魯克大學(xué)(UniversityofInnsbruck)的研究人員增加了一個(gè)額外的量子位元，并制造出第一臺(tái)可以操縱一個(gè)量子位元(8個(gè)量子位元)的量子計(jì)算機(jī)。
這些都是試探性的但重要的第一步。在接下來(lái)的幾年里，研究人員宣布了更多雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)，逐步增加了更多的量子位元。到2011年，加拿大一家名為D-WaveSystems的先鋒公司在《自然》雜志上宣布，它已經(jīng)制造出一臺(tái)128量比特的機(jī)器;事實(shí)證明，這一聲明極具爭(zhēng)議，對(duì)于該公司的機(jī)器是否真的表現(xiàn)出量子行為，也存在很多爭(zhēng)論。
三年后，谷歌宣布它正在雇傭一個(gè)學(xué)者團(tuán)隊(duì)(包括加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家約翰·馬提尼斯)開(kāi)發(fā)基于D-Wave方法的量子計(jì)算機(jī)。
2015年3月，谷歌團(tuán)隊(duì)宣布他們“離量子計(jì)算又近了一步”，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的量子位元檢測(cè)和防止錯(cuò)誤的方法。
2016年，麻省理工學(xué)院的艾薩克·莊(IsaacChuang)和因斯布魯克大學(xué)(UniversityofInnsbruck)的科學(xué)家們推出了一款5量子位的離子陷阱量子計(jì)算機(jī)，可以計(jì)算15的因數(shù);
總有一天，這臺(tái)機(jī)器的升級(jí)版可能會(huì)發(fā)展成為長(zhǎng)期承諾的、功能齊全的加密破解工具。毫無(wú)疑問(wèn)，這些都是非常重要的進(jìn)步。而且量子技術(shù)最終將帶來(lái)一場(chǎng)計(jì)算革命的跡象也越來(lái)越令人鼓舞。
2017年12月，微軟發(fā)布了一套完整的量子開(kāi)發(fā)工具包，其中包括一種專(zhuān)門(mén)為量子應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的新計(jì)算機(jī)語(yǔ)言Q#。
2018年初，D-wave宣布計(jì)劃開(kāi)始向云計(jì)算平臺(tái)推廣量子能量。幾周后，谷歌宣布了Bristlecone，這是一種基于72量子位陣列的量子處理器，有一天，它可能會(huì)成為量子計(jì)算機(jī)的基石，解決現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題。都非常激動(dòng)人心!
盡管如此，整個(gè)領(lǐng)域還處于早期階段，大多數(shù)研究人員都認(rèn)為，我們不太可能看到實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)在幾年內(nèi)出現(xiàn)，更有可能出現(xiàn)幾十年。
在這之前我們要達(dá)到這一里程碑還有許多技術(shù)難題有待解決，我們共同努力。