量子计算机——人类技术的极限？ _小知识

【量子计算机——人类技术的极限？】从我们的历史来看，人类的科技大都建立在脑、火与尖锐的棒子上。当火和尖锐棒状物变成发电厂和核武器时，脑的大进化已经开始发生。自从1960年代来，电脑的运算能力呈献指数性的成长，使得电脑愈来愈小，同时愈来愈强大。但是演化已经快碰到了物理上的极限，电脑元件尺寸正在趋近于原子的大小。为了说明这为什么是个问题，我们必须要先讲解一些基本知识。

文章插图
电脑是由执行简单功能的简单元件所组合而成，以呈现数据，意思就是运算并控制机械。计算机芯片包含模组，模组包含逻辑门，逻辑门包含晶体管。晶体管代表着电脑的处理器里一个最简单的型态，简单说是个可以阻挡、通过信息的开关。而此信息是由比特构成，它可以设为0或者1 ，多个比特的组合通常代表着更复杂的信息。将晶体管组合后会变成逻辑门，它还是只有简单的功能，例如，一个AND门只有在输入值皆为1时才会输出1 ，否则就会输出0 。最终组合不同的逻辑门形成了有意义的模组，比方说加法的功能模组。
一旦你能够使用加法，你也可以使用乘法，一旦可以使用乘法，基本上什么都可以做了。自从所有基本运算都比一年级的数学简单，你可将电脑想像为一群在回答基础数学题的7岁小孩。足够数量的小孩可以计算所有的东西，不论是天文物理或萨尔达传说。

文章插图
然而，随着元件愈变愈小，量子力学让事情变得很诡异。简而言之，一个晶体管只是一个电流开关。电流表示电子由一端流向另一端。所以开关就是可决定是否让电子流过的单向通道。现今的晶体管尺寸大约是14纳米，是艾滋病病毒直径的1/8倍，并且是是红血球的1/500倍。当晶体管小到仅几个原子大的尺寸时，电子会无视阻挡将自己传送到另一端，这现象称作量子隧穿效应。

文章插图
在量子世界里，物理运作方式和我们平常看到的不太一样，而传统的电脑就开始没逻辑了。我们的科技正一步步接近物理的极限，为了解决这问题，科学家尝试利用量子物理不寻常的特性中的优点，方法就是建造量子计算机。在一般电脑中，比特代表着信息的最小单位。量子计算机使用的是量子比特，它同样可以设成0和1 。一个量子比特可以是任何二阶的量子系统，像是自旋和磁场，或是单一的光子， 0和1是系统中可能存在的状态，就像是光子横向或纵向的偏振。

文章插图
在量子世界里，量子比特不一定是这两种状态之一，它可以在他们间同时表现出所有的偏振状态，这被称作为量子叠加。但当你想把一个光子送到滤波器做测试时，它必须决定自己是纵向或横向偏振。所以当它被观测之前，量子比特就代表着0和1之间所有可能的叠加状态，你无法预期是哪个状态。但当你测量它的瞬间，它将会塌陷为一个固定的状态，量子叠加状态改变了游戏的规则。四个传统比特中，每个比特各自表示两种状态中的一种，这共包含了16种不同的组合，但只能使用其的一组。而四个量子比特则可以同时代表着16种状态，每增加额外的量子比特，组合数将会是指数性的成长， 20个量子比特就可以平行储存100万个数值。