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什么是量子计算?

发布时间:2020-06-12 21:51 作者:admin 来源:互联网 字号:

科技谈话者:它指的是量子……咄!好吧,但说真的,普通计算机使用储存在晶体管中的二进制数字(1和0)处理数据。它使用二进制数字来执行指令、储存图片、播放音乐、查看资料,做几乎所有你能想到的事情。量子计算机以量子比特或者说量子二进制数字的形式储存数据。量子比特很难捉摸,因为既可能是0,1,也有可能二者皆有。

量子二进制数字或者量子比特之所以表现为这样是因为一种叫作态叠加的原理。态叠加原理是量子计算背后的核心法则。我们在讨论态叠加时,通常会用到电子这一例子。电子具有自旋的特性,旋转的方向既可能是向上也可能向下。然而,根据量子力学理论,电子不仅能向上或向下旋转,它还具有一种综合两种状态而任意线性组合的旋转形式。线性组合意味着它可以同时具有向上旋转的状态也有向下旋转的状态。

奇怪之处在于,当一个观察员看到电子向上旋转的时候,另一个观察员可能会看到电子向下旋转。即使两个观察员精确地在同一时刻观察电子,这些观测差异仍然存在——这一事实意味着在量子力学中,我们认为电子同时具有这些旋转形式。我们将其称之为属性态叠加。

这对量子力学意义重大,因为正如科技谈话者所言,普通计算机使用一个位(1或0)来处理数据,所以一台8位计算机能在任何给定的时间处理1至256种状态中的任意一种。而利用态叠加状态的量子计算机则可以同时处理256种状态。这意味着,对某种(尽管不是全部)算法而言,量子计算机将带来计算能力的巨大飞跃。

正如一台常规计算机通过各种各样的方式(例如在硬盘、DVD和内存芯片上存储二进制数字的不同方式)代表一个常规的位一样,一个量子比特也能通过不同的东西来代表。如我所提到的,电子、光子和原子核都是很好的量子比特。事实上,任何具有量子特性的物体都可以用作量子比特。这里你能看到一个完整的清单。

量子纠缠告诉我们,两个粒子互相联接时,如果你弄清其中一个粒子的状态,你马上就能知道另一个粒子的状态。

科技谈话者:量子计算机通过态叠加的分解进行一些有趣的计算,这些计算普通计算机很难完成。例如,普通计算机很难找出质数的因子,所以几乎所有的密码术都会用到某种形式的大型质数或者单向函数,以此保护数据安全。

目前,因为每个量子比特能同时以所有状态存在,你可能好奇这些东西是如何储存信息的。为了实现储存,我们需要利用量子理论的另一个特性——量子纠缠。

量子纠缠告诉我们,两个粒子互相联接时,如果你测量其中一个粒子的状态,你立刻也能知道另一个粒子的状态,不管这两个粒子距离多么遥远。这在量子计算中有几个影响,其中最重要的影响之一就是它能让我们把量子计算机的量子比特缠绕起来,这样,一旦我们知道其中一个的状态,我们就能知道其他所有量子的状态。

因此遵循着这两条法则,量子计算机能够迅速地执行计算——极其迅速得计算那些过去被认为是不可能在合理的时间内解决的难题。例如,一台运用恰当算法的量子计算机可以相对轻易地破解牢固的密码。因此我们离用量子计算机取代智能手机还有多远?

科技谈话者:现在还不必担心。目前为止,我们的量子计算机还处于用几个量子比特进行简单计算的阶段。然而,在将来,这将给科技带来一些十分有趣的改变!

如果你感到有些疑惑,别担心。即使是在量子计算领域的重要科学家也发现,它无法仅靠直觉来领悟。尼尔斯·玻尔说:“那些第一次听到量子理论而没被震惊的人,可能还没能理解它。”理查德·费曼说,“我可以很有把握地说还没有人能理解量子力学。”

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