“我可以有把握地說，沒有人理解量子力學(xué)?！?/span>

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，也是第一個將量子力學(xué)應(yīng)用于計算的人----理查德·費曼如此說道。

當你測量一個微小的電子時，就會影響到遠處另一個電子的狀態(tài)，愛因斯坦把量子的糾纏和疊加稱作“鬼魅般的超距作用”。即使對世界上最聰明的人來說，量子力學(xué)看起來也像魔法一樣。

但這并沒有阻止研究人員和技術(shù)創(chuàng)新者使用量子力學(xué)的神奇力量來打造量子計算機，這種計算機比當今性能最高的超級計算機還要強大得多。

讓量子計算解開人類最大謎題

QuTech是一家由荷蘭代爾夫特大學(xué)參與創(chuàng)立，主攻量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的先進研究機構(gòu)。它與英特爾有規(guī)模高達5000萬美元的研究合作關(guān)系，它的研究人員和英特爾正在努力研發(fā)量子位計算機芯片以及使用量子力學(xué)的專用系統(tǒng)。這個物理學(xué)分支聚焦于非常小的原子和亞原子粒子，有可能解開自然的奧秘、管理復(fù)雜的數(shù)字互聯(lián)社會，甚至可能解決一些人類面臨的最大難題。

量子計算可以帶來極高的計算速度、非常靈敏的探測器，并且能創(chuàng)建牢不可破的加密功能來保護重要的數(shù)字信息。QuTech首席科學(xué)家Vandersypen表示：

“量子計算機的強大功能可以真正應(yīng)對我們想要理解的分子或材料的復(fù)雜性?！?/p>

量子計算的運作原理

當今的經(jīng)典計算機基于位（bit），把信息編碼為一系列的1和0。量子計算機則使用量子位（qubit），每一個量子位都可以代表多種狀態(tài)：1，0，以及1和0的任意組合。

當你拋硬幣時，它落下來后要么正面朝上、要么反面朝上。這就是二進制。現(xiàn)在想象一下——把硬幣立起來旋轉(zhuǎn)。它是1還是0？實際上它既是1，也是0。

這就是量子計算機和經(jīng)典計算機的區(qū)別。當今的計算機可以分解幾條指令，幾乎同時處理它們，但是量子計算機可以并行處理多得多的指令。量子位能夠代表非常多的狀態(tài)，因此需要一種從根本上不同的計算方式。

英特爾量子硬件總監(jiān)Clarke的團隊制造了一個17量子位的超導(dǎo)芯片，目前正在QuTech進行測試。該芯片安裝在實驗室天花板懸掛的深冷圓柱形計算機內(nèi)部，便于疊加和糾纏，因此超導(dǎo)電路的各種狀態(tài)可以更快地執(zhí)行指令，速度比經(jīng)典計算機中使用的晶體管要快得多。

英特爾量子硬件總監(jiān)Clarke手里拿的是

英特爾17量子位超導(dǎo)測試芯片

該芯片正在由QuTech進行測試

隨著更多量子位在量子計算機系統(tǒng)內(nèi)糾纏，狀態(tài)數(shù)量也呈指數(shù)增長。例如，50個糾纏的量子位可以同時代表250種狀態(tài)，也就是千萬億種狀態(tài)。Clarke表示：“這個數(shù)字太大了，地球上沒有哪臺超級計算機能夠和它匹敵。如果你有300個量子位，那么它所代表的狀態(tài)比宇宙中的原子數(shù)量還要多?！?/p>

量子位是很挑剔的小東西。任何噪聲或振動都可能導(dǎo)致量子位改變狀態(tài)，從而導(dǎo)致處理錯誤。關(guān)鍵是創(chuàng)建一個控制得很好的環(huán)境，這樣就幾乎沒有波動可以影響量子位的狀態(tài)。

這個測試芯片相當小——大約只有5厘米（近2英寸）——但是周圍的儀器相當龐大，這是為了讓量子位保持極低的溫度——20毫開爾文，比宇宙深空還要冷250倍。這些所謂的稀釋制冷系統(tǒng)乍一看似乎很嚇人，Clarke解釋說：“它們看上去和膠囊似的，就像你在科幻電影里看到的那樣，膠囊正在孵化機器人?！?/p>

該芯片位于“冰箱”中最冷的部分，并通過帶有微波連接器的電路板進行控制。為了激活量子位，研究人員會編寫可轉(zhuǎn)化為微波脈沖的高級指令。這導(dǎo)致量子位彼此旋轉(zhuǎn)并相互作用。這種相互作用產(chǎn)生了量子計算幾乎無限的并行處理能力。

量子跨入現(xiàn)實世界

量子計算非常適合人工智能和密碼學(xué)

像亞馬遜Alexa這樣的數(shù)字助理所使用的人工智能應(yīng)用可以從量子計算中獲益?，F(xiàn)在，這些語音控制的助手很容易就會出錯，這是因為它們通過有限的數(shù)據(jù)來運行。量子計算可幫助數(shù)字助手更像人類一樣做出回應(yīng)。

量子計算讓機密無法破解

密碼學(xué)涉及到把大數(shù)分解成質(zhì)數(shù)，而這正是量子計算機所擅長的計算。

其它可能的應(yīng)用

包括藥物設(shè)計和材料科學(xué)（建模像蛋白質(zhì)一樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)），以及物流優(yōu)化（找到任何數(shù)量的可能路線中最有效的）。

雖然QuTech的研究人員正通過一系列測試運行英特爾的17量子位芯片，不過Clarke表示，他的團隊正在改進其設(shè)計，并計劃用更多量子位制造新芯片。英特爾也在探索不同類型的量子位，其中包括由硅制成的量子位，類似于目前英特爾微處理器中所用的晶體管。

“我們的終極目標是制造一個商用量子計算機，政府以及各行各業(yè)可用它來應(yīng)對大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)?！?，Clarke說，這需要至少100萬個糾纏的量子位，再加上用來管理數(shù)據(jù)處理的硬件和軟件架構(gòu)。

QuTech的Lieven Vandersypen

是量子分解領(lǐng)域的著名先鋒

Vandersypen認為：等到這種計算機進入市場時，消費者可能就不會對量子物理學(xué)感到困惑了。年輕人在思考問題時往往更容易接受新東西，并且不受約束。

“我的孩子會比我75歲的父親更容易理解量子。如果你告訴他們一個電子同時出現(xiàn)在兩個地方，他們可能并不覺得不可思議。事實上，當我告訴我的孩子這一點時，他們只是點頭表示同意?！?Vandersypen說。