什么是量子計(jì)算和它為什么重要

IBM、谷歌、英特爾和其他公司的研究人員正在進(jìn)行一場(chǎng)奇妙的科學(xué)軍備競(jìng)賽，以建造一種具有商業(yè)可行性的量子計(jì)算機(jī)。它們已經(jīng)存在于實(shí)驗(yàn)室中，而我們離開(kāi)始對(duì)計(jì)算的看法發(fā)生徹底轉(zhuǎn)變只有幾年的時(shí)間了。

典型的電腦，比如你正在閱讀本文的手機(jī)或筆記本電腦，是一個(gè)二進(jìn)制系統(tǒng)，基本上是一個(gè)是/不是的設(shè)備。對(duì)于計(jì)算機(jī)程序員來(lái)說(shuō)，最令人驚奇的事情是，他們可以通過(guò)創(chuàng)造一系列“如果這樣，那么那樣”的場(chǎng)景，將像計(jì)算機(jī)芯片這樣基本簡(jiǎn)單的東西變成像微軟辦公軟件這樣的東西。這表明計(jì)算機(jī)作為人類完成任務(wù)的工具是多么有用。

加入行業(yè)領(lǐng)袖，為不確定的未來(lái)制定新的戰(zhàn)略

然而，量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)完全不同的概念——量子的原因是它不使用二進(jìn)制邏輯。就其本質(zhì)而言，量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)是/不是/兩者兼而有之的設(shè)備。當(dāng)開(kāi)發(fā)人員做出邏輯選擇時(shí)，他們不受“如果是這樣，那么是那樣”的限制，他們還可以問(wèn)“如果是這樣，那么是那樣——或者兩者都是”，這就使世界變得完全不同。

在很多情況下，二進(jìn)制計(jì)算機(jī)不能以我們想要的方式解決問(wèn)題。當(dāng)要求解決每個(gè)答案都是等可能的問(wèn)題時(shí)，二進(jìn)制計(jì)算機(jī)必須花時(shí)間分別評(píng)估每種可能性。通過(guò)所謂的“量子糾纏”，量子計(jì)算機(jī)一次可以評(píng)估不止一種可能性。

當(dāng)兩個(gè)粒子糾纏在一起時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象:發(fā)生在其中一個(gè)粒子上的任何事情都會(huì)發(fā)生在另一個(gè)粒子上。愛(ài)因斯坦稱這種現(xiàn)象為“遠(yuǎn)距離的幽靈作用”，他說(shuō)得很對(duì)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，在量子計(jì)算方面所做的研究中，有很大一部分都集中在如何利用量子糾纏為我們?cè)旄Ｉ稀?/p>

未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)也正在建設(shè)中，中國(guó)研究人員在量子通信方面取得了驚人的進(jìn)步。

量子互聯(lián)網(wǎng)將是不可質(zhì)疑的，因?yàn)闆](méi)有數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)然，存儲(chǔ)漏洞仍然存在，但到那時(shí)我們的安全將由人工智能來(lái)處理。這種奇怪而奇妙的糾纏現(xiàn)象意味著，你可以把數(shù)據(jù)插入一邊，然后從另一邊取出來(lái)，就像瞬間傳輸一樣。沒(méi)有任何東西在以太中旋轉(zhuǎn);在一個(gè)糾纏態(tài)粒子上發(fā)生的一切，立即發(fā)生在另一個(gè)糾纏態(tài)粒子上。

這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在，但是在全面實(shí)施的道路上還有許多挑戰(zhàn)需要克服。首先，我們所能做的量子計(jì)算仍然落后于我們已經(jīng)掌握的二進(jìn)制計(jì)算。我們還需要克服物理上的顧慮，例如，在IBM實(shí)驗(yàn)室中，處理器需要保持在百分之一度以內(nèi)的完美零度溫度。

盡管有幾個(gè)令人難以置信的問(wèn)題，前景是非常光明的。最近的突破包括首個(gè)由量子加密保護(hù)的太空視頻通話。

視頻通話將北京的一名中國(guó)科學(xué)家與維也納的一名奧地利科學(xué)家聯(lián)系了起來(lái)。兩者之間的距離超過(guò)4000英里。通訊被發(fā)送到太空中的一顆衛(wèi)星上，然后通過(guò)電波傳回地球。科學(xué)家之所以選擇這種方式來(lái)研究量子網(wǎng)絡(luò)，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)像光纖電纜這樣的傳統(tǒng)方式發(fā)送光子會(huì)造成信號(hào)損耗。

使用二進(jìn)制計(jì)算機(jī)是不可能破解這些量子加密通信的。另一方面，商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)的成功完成可能標(biāo)志著二進(jìn)制加密系統(tǒng)的結(jié)束。舉例來(lái)說(shuō)，理論上，如果給量子計(jì)算機(jī)提供與任何二進(jìn)制系統(tǒng)相同的計(jì)算能力，那么它幾乎可以立即破解128位加密。

或許，看待量子計(jì)算所代表的變化的最好方法，是將其與二進(jìn)制計(jì)算進(jìn)行比較，就像你將iPhone X的性能與20世紀(jì)80年代的Timex計(jì)算器手表進(jìn)行比較一樣。