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在人類歷史的進(jìn)程中，人類技術(shù)的發(fā)展源于我們對(duì)大腦，火以及尖銳物體的探究。當(dāng)火和尖銳物逐漸演變成為發(fā)電站和核武器時(shí)，腦研究引發(fā)了科學(xué)技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)）的革命。從1960年（20世紀(jì)60年代）開(kāi)始，電腦的計(jì)算能力一直呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。電腦正變得越來(lái)越小，同時(shí)計(jì)算能力變得越來(lái)越強(qiáng)，但這個(gè)過(guò)程即將到達(dá)它的物理極限。

電腦中基礎(chǔ)電子元件的尺寸正在逼近一個(gè)原子的大小，在了解這個(gè)現(xiàn)狀引發(fā)的問(wèn)題之前，我們需要弄清楚一些電腦的基本知識(shí)。簡(jiǎn)而言之，電腦是由非常簡(jiǎn)單的零件組成的，做著很簡(jiǎn)單的事情，顯示數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制等。計(jì)算機(jī)芯片有不同的模塊構(gòu)成，這些模塊由邏輯門電路構(gòu)成，而邏輯門電路則由晶體管構(gòu)成，晶體管是計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的最小單元。晶體管其實(shí)是個(gè)開(kāi)關(guān)，可以關(guān)閉和開(kāi)啟，從而控制信息傳輸。

計(jì)算機(jī)中的信息是比特（位）構(gòu)成的，可以設(shè)置成0或1的二進(jìn)制數(shù)形容來(lái)表達(dá)。計(jì)算機(jī)通過(guò)一些比特（位）的組合來(lái)儲(chǔ)存和表達(dá)復(fù)雜的信息，晶體管可以組合起來(lái)構(gòu)成邏輯門電路，邏輯門電路的工作也非常簡(jiǎn)單，例如，如果所有的收入都是1，那與門會(huì)輸出1，否則會(huì)輸出0。

邏輯門電路可以組成計(jì)算機(jī)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有意義的處理。比如把兩個(gè)數(shù)字相加，一旦你可以做加法，那當(dāng)然也可以做乘法，一旦你能做乘法，你基本上可以做任何事兒了，實(shí)際上其中的基礎(chǔ)運(yùn)算要比一年級(jí)數(shù)學(xué)還簡(jiǎn)單，你可以把計(jì)算機(jī)想象成一組七歲的小孩兒，在計(jì)算最簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)題。足夠多的計(jì)算機(jī)串聯(lián)起來(lái)就可以計(jì)算任何問(wèn)題了，從天體物理學(xué)到塞爾達(dá)傳說(shuō)（游戲名）。

然而，隨著電子元件越來(lái)越小，量子物理學(xué)使事情非常棘手，簡(jiǎn)單的說(shuō)晶體管是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，電流就是從一個(gè)地方運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)地方的電子，所以晶體管可以阻斷單向流動(dòng)的電流，如今，一個(gè)典型的晶體管僅有14納米，這比一個(gè)HIV（艾滋?。┎《具€要小8倍，比一個(gè)紅細(xì)胞還要小500倍，當(dāng)晶體管縮小到只有幾個(gè)原子那么大的時(shí)候，電子可能會(huì)通過(guò)本應(yīng)被阻隔的通道，這個(gè)過(guò)程稱為量子隧道。

在量子領(lǐng)域，物理現(xiàn)象和我們平常截然不同。那么這種傳統(tǒng)的電腦就不再有進(jìn)步的可能了，我們的技術(shù)進(jìn)步正接近一個(gè)物理屏障，為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家正試圖通過(guò)建造量子計(jì)算機(jī)來(lái)使用這些神奇的量子特性。在普通電腦里，比特是信息的最小單位，而量子計(jì)算機(jī)的最小單位是量子比特（量子位），它也可以設(shè)置為兩個(gè)值，量子比特（量子位）可以是任意的兩能級(jí)量子系統(tǒng)。

可以旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也可以形成單光子。0和1是系統(tǒng)可能存在的狀態(tài)，它們就像光子的水平態(tài)和垂直偏振態(tài)一樣，在量子世界中，量子比特不一定只處于一種固定的狀態(tài)，它可以是任何兩種狀態(tài)，這就是所謂的量子疊加態(tài)。但是一旦你要對(duì)它進(jìn)行確切的測(cè)量，比如我們讓光子通過(guò)濾光器，那么它就必須要確定一個(gè)狀態(tài)，到底是水平態(tài)還是垂直偏振態(tài)。

因此當(dāng)量子比特的狀態(tài)沒(méi)有被觀測(cè)到的時(shí)候量子比特就可能處在一種0和1的疊加狀態(tài)，并且你沒(méi)法預(yù)測(cè)它到底是0還是1的狀態(tài)。但是你一旦對(duì)它進(jìn)行觀測(cè)，疊加狀態(tài)就會(huì)坍塌縮成其中一種特定的狀態(tài)。量子疊加態(tài)就是游戲規(guī)則的改變者，傳統(tǒng)比特可以在同一時(shí)刻，在四種不同立體基陣下各擁有兩種狀態(tài)。有16種可能的組合，但你只能使用其中一個(gè)，而量子比特處于疊加態(tài)時(shí)，就可以同時(shí)處在16種組合之中，每多出一個(gè)額外的量子比特，這個(gè)數(shù)就呈指數(shù)式增長(zhǎng)。

20個(gè)量子比特就能存儲(chǔ)相當(dāng)于如今一百萬(wàn)比特的存儲(chǔ)容量，彼此間的糾纏是量子比特?fù)碛锌焖俜磻?yīng)和能力的同時(shí)保持不確定性。也就是說(shuō)每個(gè)量子比特都可以極快地從一個(gè)狀態(tài)切換到另一個(gè)，無(wú)論它們相隔有多遠(yuǎn)。這意味著當(dāng)測(cè)量一個(gè)被糾纏的量子比特時(shí)，你可以直接調(diào)用它的同伴的屬性，而不必專門去查看。操縱量子比特的想法也是別出心裁，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的邏輯門工作原理是接收一組簡(jiǎn)單的輸入，產(chǎn)生某個(gè)確切的輸出，一個(gè)量子門要輸入旋轉(zhuǎn)疊加態(tài)的概率，并產(chǎn)生新的疊加態(tài)作為輸出。

所以量子計(jì)算機(jī)設(shè)定某些量子比特作為量子門，用來(lái)約束它們和操縱它們的（疊加態(tài)）概率。最終測(cè)量到的數(shù)據(jù)是崩塌的疊加態(tài)，能確切等于0和1。這里的意思是你在啟動(dòng)機(jī)器的同時(shí)就得到的大量可能計(jì)算結(jié)果，最終你只能得到測(cè)量結(jié)果中的一個(gè)，它很可能正是你想要的，所以你大概還要再測(cè)一次，但是如果巧妙地運(yùn)用量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)，量子計(jì)算機(jī)就會(huì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作效率高無(wú)數(shù)倍。因此就算量子計(jì)算機(jī)可能不會(huì)替代我們的家用電腦，但在其他一些領(lǐng)域，他們同樣有著巨大的優(yōu)勢(shì)，其中一個(gè)就是數(shù)據(jù)檢索，為了在數(shù)據(jù)庫(kù)查找東西，一個(gè)普通計(jì)算機(jī)不得不查看所有詞條，量子計(jì)算機(jī)算法卻只需要存入時(shí)間的腳本。

對(duì)于大數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)就完全不同了。量子計(jì)算機(jī)最出名的應(yīng)用是破壞信息安全?，F(xiàn)如今人們可以查看電子郵件和使用網(wǎng)銀，都是依托了加密的安全系統(tǒng)的保護(hù)，這個(gè)系統(tǒng)給所有人公共密鑰用來(lái)加密，但編碼的信息只有你自己可以破譯。問(wèn)題是，公共密鑰實(shí)際上可以被用來(lái)計(jì)算你的個(gè)人密鑰。幸運(yùn)的是，在普通電腦上做這種計(jì)算至少需要幾年的時(shí)間來(lái)嘗試和犯錯(cuò)。而量子計(jì)算機(jī)由于擁有指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的運(yùn)算速度，呼吸之間就可以完成。

另一個(gè)激動(dòng)人心的新用途是模擬仿真。量子世界的模擬仿真對(duì)資源的要求非常高，即使是計(jì)算模擬大型物體，例如分鐘子也經(jīng)常出錯(cuò)，那么為什么不用真實(shí)的量子來(lái)模擬量子物理現(xiàn)象呢？量子仿真技術(shù)可以透視蛋白質(zhì)，從而引發(fā)機(jī)器變革。現(xiàn)在我們不知道量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為專家的工具，還是全人類社會(huì)的科技革命。量子計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力可以幫助我們更快更有效地處理很多事情，利用量子計(jì)算機(jī)對(duì)其自身功能的不斷完善，可以引領(lǐng)半自動(dòng)車輛等更高級(jí)別的人工智能。

所有的這些應(yīng)用聽(tīng)起來(lái)令人興奮不已，但在此之前我們還有很長(zhǎng)的路要走。如今，量子計(jì)算機(jī)研制工作的主要參與者包括谷歌和美國(guó)航空航天局，當(dāng)各大公司紛紛致力于高尖端技術(shù)的研發(fā)時(shí)，取得突破也就指日可待了。
（責(zé)任編輯：fqj）