从薛定谔到量子计算机
(图片来源：bing)
你或许在新闻中多多少少听说过“量子力学”的概念，但很少有人能解释清楚这样高深的物理概念究竟是什么！于是，关于它的众多消息不免让人真假难辨。
不过，有这样一种超前沿的技术确是真实存在的，它就是用量子力学原理制造的计算机。解决同一个复杂的数学问题，目前顶尖的超级计算机要花至少10000年，而量子计算机只需要3分20秒。你一定会惊叹，它是怎么做到的？原因在于，超级计算机只是尽量提升了运算性能，而量子计算机则采用了颠覆性的运作方式。
故事还要从一只猫说起。
科学界最硬核的宠物，大概就属薛定谔盒子里的猫了。薛定谔的猫是一种假象的模型，猫被关在一个设置了机关的黑箱中，箱子里装着毒药。当机关触发、毒药释放时，猫就会死去。但我们不知道机关什么时候会触发，所以如果不打开箱子，我们也就不知道猫是死是活。于是，薛定谔将它描述为，盒子里的猫处于既是活着又是死去的叠加状态。
当然啦，这样的事情在我们身边是不会发生的，毕竟没有一只猫既是活着又是死的。薛定谔的模型是用宏观的事物描述了一种微观的现象——在微观尺度上，量子具有叠加态。简单来说，就是微粒可以同时处于两个位置，具有两种运动状态。同时，遥远的两个微粒之间，状态也可以相互影响，如果再次用猫的例子来打比方，那就是在几万米之外的地方还有一只猫，它能感应到这只盒子里的猫，并受其影响。数据显示，一对纠缠光子之间目前所能达到的最远距离是1203千米。
量子的叠加态和纠缠现象又是怎么用在计算机身上的呢？对于我们身边常见的计算机来说，它的计算以二进制“比特”为基础。每个比特可以取0和1这两个数值中的一个，对应着电路断开和接通两种状态。决定着计算机运算速度和复杂程度的，正是它能处理的比特数。
而在量子计算机中，计算的基本单位变为了“量子比特”。由于量子的叠加态，每一个量子比特可以同时取2个数值，再加上纠缠，2个量子比特就能同时取到4种数值了。这样，量子比特位能同时进行更多的并行运算，运算能力自然比普通比特更强，显然，量子比特位越多，计算机的运算速度就越无敌。
但理想与现实总是相隔甚远。最初提出量子计算机设想的，是著名的物理学家理查德·费曼。但随后，物理学家们还是花了数年的时间，才真正实现了量子比特电路。他们发现，在超导状态下的电路可以充当量子比特，实现量子计算机的构想。有趣的是，为了保持超导电路工作，量子计算机必须保持超级低的温度，外观看起来就像个大冰柜。如今，谷歌公司推出了53个量子比特的Sycamore处理器，在计算机领域具有划时代的意义。
未来，量子计算机超强的运算能力能帮我们实现很多设想，比如定制个人药物、更准确地预测并应对气候变化，甚至寻找另一个地球。
你期待那一天的到来吗？
参考资料：
1.https://www.livescience.com/schrodingers-cat.html
2.《万物》2020年5期 《量子计算的超能力》
作者：比邻星
审稿：于颖卓，中科院地理科学与资源研究所博士
