作者： 周雷

審核：中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院 超導(dǎo)量子計算團(tuán)隊 黃合良

“遇事不決，量子力學(xué)”大概是很多人對于量子科技的第一印象。有些人認(rèn)為這是騙人的玄學(xué)，有些人認(rèn)為這是無所不能的未來科技。量子科技到底是啥？通過量子科技實現(xiàn)的量子計算到底強在哪？

簡單來說，量子就是能表示物質(zhì)特性的物質(zhì)最小單元的統(tǒng)稱。我們中學(xué)課本學(xué)到的分子、原子和電子其實都是量子的不同形式。比如，水分子就是水的量子，再通俗一點，男團(tuán)成員就是男團(tuán)的「量子」。量子力學(xué)研究的就是這些最小單位的運動規(guī)律。量子科技就是研究如何把微觀物質(zhì)的運動規(guī)律，運用到宏觀生活的科學(xué)技術(shù)。

這項技術(shù)到底有什么神奇的地方呢？很多人可能聽說過“薛定諤的貓”，就是那只既是生又是死的貓咪。這就是量子特征之一，疊加態(tài)。在宏觀世界我們的狀態(tài)都是確定的，也就是說，同一時間我們只能出現(xiàn)在一個地方。而在量子世界里，在不被觀測的情況下，你可以既在北京又在上海，既在摸魚又在工作。

另一個特征是糾纏態(tài)。簡單來說就是，兩個“糾纏”的量子會產(chǎn)生“心電感應(yīng)”，不管隔多遠(yuǎn)，它們的狀態(tài)會保持鏈接。比如，有兩個糾纏的電子，你觀測到其中一個電子在“下旋”，那么不管隔多遠(yuǎn)，另一個電子必定在“上旋”。就好比有一雙手套，不管這兩只手套在哪，如果你手上的是左手套，那么另外一只必定是“右手套”。

量子計算機(jī)就是把這兩項特性運用在計算領(lǐng)域的產(chǎn)物。

傳統(tǒng)計算機(jī)處理數(shù)據(jù)都是靠芯片中晶體管的「開關(guān)」來實現(xiàn)，「開」代表1，「關(guān)」代表0。這就是我們說的比特，一個晶體管代表一個比特位。同一時間，一個比特位只能表示1或0。也就是說，假如電腦芯片中只有2個晶體管，它們就只能表示00、01、10、11其中一種。如果把晶體管換成量子，也就是量子比特，情況就不一樣了。根據(jù)量子的疊加態(tài)的特性，一個量子比特既可以是1，也可以是0。所以兩個量子比特可以同時表示00、01、10、11。信息量一下翻了4倍。

傳統(tǒng)計算機(jī)中用于計算的比特相當(dāng)于男團(tuán)成員，在表演時每個成員都有明確的角色，而量子比特可以同時把唱、跳、Rap、籃球全都搞定。

量子計算機(jī)還有一項傳統(tǒng)計算機(jī)沒有的技能，并行運算。拿破解密碼來說，把佐助比作傳統(tǒng)電腦，鳴人比作量子計算機(jī)。兩人同時破解一個4位數(shù)的數(shù)字密碼，佐助的操作方式是線性運算。通俗講就是，一個個試，從0000試到9999。運氣不好密碼剛好是9999，就得試一萬次。而鳴人可以使用影分身，同時試多個密碼。量子比特越多，并行處理的運算越多。

有了并行計算，密碼分析、氣象預(yù)報、石油勘探、藥物設(shè)計等需要大規(guī)模計算的領(lǐng)域都會有飛躍式發(fā)展。

2019年9月，谷歌公司研制了一個包含53個量子比特的量子芯片，執(zhí)行一個特定的計算任務(wù)用了3分20秒，而對于同樣的任務(wù)，采用目前最強的超級計算機(jī)并且經(jīng)過理論優(yōu)化后，完成這項任務(wù)也需要2.5天。我國目前研發(fā)出的量子計算機(jī)系統(tǒng)，計算能力比谷歌的還要強100萬倍。

發(fā)展量子計算機(jī)，一方面是因為它顛覆的計算能力，另一方面量子計算機(jī)其實是突破芯片物理極限的一種方式。按照目前集成電路的發(fā)展，在可預(yù)見的未來，芯片的性能就會遇到物理極限。當(dāng)硅基芯片突破1nm 之后，量子隧穿效應(yīng)將使芯片失效。

除了看起來離我們的生活還有些距離的量子計算機(jī)之外，量子科技其實還可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域，原子彈、激光、核磁共振、晶體管等技術(shù)都是量子科技的產(chǎn)物。目前我國已經(jīng)開通了世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，實現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信。量子通訊與量子計算機(jī)構(gòu)成的「量子互聯(lián)網(wǎng)」，可以讓我們的生活更加智能、安全。此外，更加精密的量子測量在科研、醫(yī)療、能源、災(zāi)害防御等領(lǐng)域都能派上大用場。未來，我們生活的方方面面都可能離不開量子科技。

參考資料：

[1]漲知識：量子是什么？為什么可以用來給通信加密？

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糾纏著神秘的“糾纏”——潘建偉委員解讀“量子通信”

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]新聞分析：量子互聯(lián)網(wǎng)會取代傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)嗎

http://www.xinhuanet.com/2020-10/20/c_1126635599.htm

人類科技的極限——量子計算機(jī)

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