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    量子比特 如何成為量子計算“主心骨”?

    2021年11月26日 09:50:46   來源:科技日報

      日前,有關(guān)量子計算的新聞不斷刷屏。量子計算機的突破,為我們描繪著更快、更強的未來計算場景。然而,對于大多數(shù)人來講,量子計算機依然是“不明覺厲”的存在。

      我們可能會發(fā)現(xiàn),表述量子計算機能力水平的一個重要參數(shù)是它的量子比特數(shù)。無論是我國66比特的可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”,還是IBM公司宣布制造出的127個量子比特的量子計算機,量子比特都是一個繞不開的概念。那么,究竟什么是量子比特?它為什么在量子計算中“舉足輕重”?提高量子比特數(shù)的難點又在哪?

      量子疊加的不確定性

      量子比特是量子計算機的基本信息單元。與常規(guī)計算機使用的非0即1的二進制碼不同,量子比特可同時以0和1的狀態(tài)存在。這種不確定性來源于物理學(xué)中的量子疊加:一個量子系統(tǒng)能同時存在于多個分離的量子態(tài)中。

      想要進一步理解量子疊加,就不得不提及著名量子物理學(xué)家薛定諤的那只“既死又活”的貓。

      薛定諤的貓其實是一個思想實驗。它假定一只貓被關(guān)在一個密閉房間內(nèi),房間里有一瓶裝著劇毒氣體的玻璃瓶,瓶上方有一個裝有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率發(fā)生衰變。盒里還有一個機關(guān)偵測放射性原子是否發(fā)生衰變。若發(fā)生了衰變,機關(guān)將控制一個錘子砸碎玻璃瓶,釋放出毒氣,從而使貓死亡。

      但有一個問題出現(xiàn)了:假定關(guān)貓的盒子不透明且隔音,不打開盒子的話便無法知道貓的死活。如果問貓是死是活,怎么回答?不打開盒子的話只能推斷貓可能是死的,也可能是活的。

      因此,現(xiàn)在盒子里關(guān)著一只“既死且活”的貓。雖然我們在實際生活中并不會遇到這樣的“幽靈貓”,但量子比特卻存在相似的情況。量子比特可以同時具有兩個或兩個以上的多重狀態(tài)(疊加態(tài)),這種現(xiàn)象就是量子疊加。

      打破疊加態(tài)的方法是測量。例如,我們打開盒子后便知道了貓的生死。因為我們得到了確定的結(jié)果(非死即活),疊加態(tài)便不復(fù)存在,物理描述為疊加態(tài)坍縮到某一個量子態(tài)。這個打開盒子的過程就是測量。

      量子計算機的計算過程便涉及通過測量量子比特,使其量子態(tài)坍縮為0或1。這就使得量子計算機與我們?nèi)粘I钪薪佑|的計算機甚至是超級計算機都有著巨大差別。普通計算機每一比特(byte)僅能存儲兩種可能狀態(tài):非0即1。但量子計算機不同。由于量子疊加,每個量子比特理論上可同時存儲0或1這兩種狀態(tài),這使得量子比特擁有比比特更大的信息存儲能力。比如,由于2的8次方等于256,故具有8比特的二進制計算機能表示0到255之間的任一個數(shù)字。但具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字。

      量子計算機正是通過量子疊加實現(xiàn)同時存儲大量信息的功能。因此,它們可以在處理復(fù)雜任務(wù)時,快速存儲大量數(shù)據(jù),探索多種可能并選擇最有效的解決途徑。

      量子計算機搭建面臨巨大挑戰(zhàn)

      量子比特的概念雖然抽象,但量子計算機并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好,但是要實現(xiàn)它們,還要面臨一項艱巨的挑戰(zhàn)。

      量子比特本質(zhì)上是處于疊加態(tài)的亞原子粒子,如電子、被束縛的離子或光子。量子比特周圍環(huán)境的細微變化,比如振動、電場、磁場、宇宙輻射等,都可能向量子比特輸入能量,進而使疊加態(tài)坍縮,使量子比特失效。因此,量子比特需要密封在極冷、真空環(huán)境中以最大程度地避免任何干擾。這就是量子計算機的搭建面臨的巨大挑戰(zhàn)。

      正是由于保持量子比特的疊加態(tài)是件非常困難的事,最微小的環(huán)境變化也可能導(dǎo)致疊加態(tài)的坍縮,造成計算錯誤。所以,目前世界上還沒能造出一臺沒有誤差、且用途廣泛的量子計算機。

      量子計算機的巨大潛力,還與量子力學(xué)中的另一個著名概念“量子糾纏”有關(guān),即各個量子比特可通過量子糾纏聯(lián)系在一起。

      簡單而言,當(dāng)兩個量子粒子糾纏在一起時,它們的量子態(tài)相同。改變?nèi)魏我粋粒子的量子態(tài)的任何屬性都將瞬間改變另一個粒子的狀態(tài),即便二者相隔千山萬水。愛因斯坦將這種無處逃脫的聯(lián)系稱為“幽靈般的超距作用”。

      互相糾纏的量子比特不僅能加密即時信息傳遞,還可讓量子計算機的性能呈指數(shù)級增長。比如,具有8量子比特的量子計算機可同時表示0到255之間的每個數(shù)字,這只是8量子比特獨立存在的情況。如果它們互相糾纏起來,或者和其他量子比特糾纏……整個糾纏的系統(tǒng)所能表示的數(shù)字將遠遠超出人們的想象。

      而這正是量子計算機無比誘人的魅力所在。盡管量子計算機仍處于起步階段,但一旦能夠大規(guī)模應(yīng)用,其必將掀起一場顛覆性的革命。

      據(jù)《科技日報》

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