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量子计算引硅谷科技巨头竞相投资：量子计算机会是没结果的赌注吗？( 二 )


费曼是第一个意识到其中影响的人 。 如果你想精确模拟物理、化学现象或者其他复杂且微小的东西 ， 你需要一台能够遵循量子力学定律的机器 。
这对传统经典计算机来说是一个难以解决的问题 。 它们的运行建立在比特之上 ， 用“1”来表示处于“开”的位置 ， 而用“0”来表示处于“关”的位置 。 你所访问的每个网站 ， 所玩的每个视频游戏和所看的每个视频最终都是通过这些10组合显现出来 。 但比特非黑即白 ， 要么是1 ， 要么是0 ， 并不适用于处理不确定性问题 。 这意味着一些看似简单问题的复杂程度可能会以指数级形式增长 ， 让传统计算机难以处理 。
Strangeworks公司创始人威廉·赫利(William Hurley)解释道 ， “比如说我们想把你从英国送到美国的14个城市 ， 计算出其中的最优路径 ， 我用笔记本电脑在1秒钟内就可以完成 。 ”Strangeworks公司的目标是让量子计算变得更加普及 。 赫利说 ， “但如果我把问题变成22个城市 ， 用同样的算法和同样的笔记本电脑解决问题需要2000年的时间 。 ”
量子计算引硅谷科技巨头竞相投资：量子计算机会是没结果的赌注吗？
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这是典型的旅行推销员问题 。 量子计算机在这种情况下可能被证明是无价的 。 要想找到最优路径 ， 传统计算机必须遍历每一种可能性 。 这样一来 ， 旅程中每增加一个站点就会导致计算量的指数级增长 。 11个城市有2000万条路径 ， 12个城市就有2.4亿条路径 ， 15个城市就会让路径增至6500亿条 。 正如费曼所设想的那样 ， 模拟分子之间复杂的相互作用也会产生同样问题——每增加一个变量 ， 挑战就会被无限放大 。
几十年来 ， 芯片制造商一直在应对这种挑战 。 他们将越来越多的比特装入处理器中 ， 使控制它们的物理开关变得更小 。 我们已经从房间大小机器上的真空管发展到硅芯片上数十亿的微型晶体管 。 然而 ， 虽然摩尔定律预测每两年微芯片上的晶体管数量会增加一倍 ， 但这种变化速度正在放缓 。 2012年 ， 澳大利亚研究人员发明出一种由单个原子组成的晶体管 ， 其可以在两种状态之间切换 ， 从而表示1和0 。 自此之后 ， 计算机就只能进入量子领域 。
1985年 ， 牛津大学物理学家大卫·多伊奇（David Deutsch）比费曼走得更远 。 他意识到 ， 用量子元件制造的计算机或将比物理模拟器强大得多 。 这些量子比特可以是1或者0 ， 也可以是同时为1和0的叠加态 ， 而不像比特那样只能是1或0 。 你大可以把量子比特看作一个球体 ， 北极是1而南极是0 ， 球上的任何其他点上都是南北极的叠加状态 。 或者可以把量子比特想象成一枚硬币：正面是1 ， 反面是0 ， 硬币旋转起来就是叠加状态 ， 装满了尚未实现的潜在未来 。
量子计算引硅谷科技巨头竞相投资：量子计算机会是没结果的赌注吗？
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多伊奇指出 ， 用量子比特打造的计算机可以利用量子力学的不确定性来取得优势 。 它可以同时沿着每条路径并行运行 ， 而不是依次尝试迷宫中的每条路径 。 它不仅能更有效地模拟自然 ， 还能在内存中保留不确定性 ， 从而以比传统机器快数千倍的速度处理旅行推销员等经典问题 。
这就是为什么有些人坚信量子计算机可以超越传统计算机的局限 ， 发明出强大的新材料 ， 加速对抗气候变化 ， 彻底颠覆传统密码学 。
但要进行计算 ， 你需要能够测量事物 ， 并将所发现的结果传递给方程的下一阶段 。 由于光子不能同时出现在两个地方 ， 因此测量处于叠加状态的物体会使其脱离这种状态 ， 也就是说薛定谔的猫不是死就是活 。 通俗地讲 ， 人们需要的是移动旋转硬币且不影响它的旋转 。 这多亏量子力学中另一个被称为“纠缠”的特性才有可能实现 。
经过近一个世纪的尝试 ， 物理学家们虽然还无法真正解释其中原因 ， 但发现量子力学允许两个粒子相互纠缠在一起 。 即使相隔很远 ， 一个纠缠粒子上发生的任何事情会瞬间发生在另一个纠缠粒子上 。 理解这种现象让科学家头疼了几十年 ， 但至少意味着量子信息可以在没有跳出叠加态的情况下从一个地方转移到另一个地方 。


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