“我可以有把握地說(shuō)，沒(méi)有人理解量子力學(xué)。”

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，也是第一個(gè)將量子力學(xué)應(yīng)用于計(jì)算的人----理查德·費(fèi)曼如此說(shuō)道。

當(dāng)你測(cè)量一個(gè)微小的電子時(shí)，就會(huì)影響到遠(yuǎn)處另一個(gè)電子的狀態(tài)，愛(ài)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(duì)世界上最聰明的人來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)看起來(lái)也像魔法一樣。

但這并沒(méi)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(lái)打造量子計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)比當(dāng)今性能最高的超級(jí)計(jì)算機(jī)還要強(qiáng)大得多。

讓量子計(jì)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(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)研究機(jī)構(gòu)。它與英特爾有規(guī)模高達(dá)5000萬(wàn)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(jì)算機(jī)芯片以及使用量子力學(xué)的專用系統(tǒng)。這個(gè)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(huì)，甚至可能解決一些人類面臨的最大難題。

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

“量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能可以真正應(yīng)對(duì)我們想要理解的分子或材料的復(fù)雜性?！?/p>

量子計(jì)算的運(yùn)作原理

當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)基于位（bit），把信息編碼為一系列的1和0。量子計(jì)算機(jī)則使用量子位（qubit），每一個(gè)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(dāng)你拋硬幣時(shí)，它落下來(lái)后要么正面朝上、要么反面朝上。這就是二進(jìn)制?，F(xiàn)在想象一下——把硬幣立起來(lái)旋轉(zhuǎn)。它是1還是0？實(shí)際上它既是1，也是0。

這就是量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的區(qū)別。當(dāng)今的計(jì)算機(jī)可以分解幾條指令，幾乎同時(shí)處理它們，但是量子計(jì)算機(jī)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(jì)算方式。

英特爾量子硬件總監(jiān)Clarke的團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)17量子位的超導(dǎo)芯片，目前正在QuTech進(jìn)行測(cè)試。該芯片安裝在實(shí)驗(yàn)室天花板懸掛的深冷圓柱形計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(cè)試芯片

該芯片正在由QuTech進(jìn)行測(cè)試

隨著更多量子位在量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)糾纏，狀態(tài)數(shù)量也呈指數(shù)增長(zhǎng)。例如，50個(gè)糾纏的量子位可以同時(shí)代表250種狀態(tài)，也就是千萬(wàn)億種狀態(tài)。Clarke表示：“這個(gè)數(shù)字太大了，地球上沒(méi)有哪臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠和它匹敵。如果你有300個(gè)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。”

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

這個(gè)測(cè)試芯片相當(dāng)小——大約只有5厘米（近2英寸）——但是周圍的儀器相當(dāng)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(shuō)：“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(jī)器人?！?/p>

該芯片位于“冰箱”中最冷的部分，并通過(guò)帶有微波連接器的電路板進(jìn)行控制。為了激活量子位，研究人員會(huì)編寫可轉(zhuǎn)化為微波脈沖的高級(jí)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(jì)算幾乎無(wú)限的并行處理能力。

量子跨入現(xiàn)實(shí)世界

量子計(jì)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(jì)算中獲益。現(xiàn)在，這些語(yǔ)音控制的助手很容易就會(huì)出錯(cuò)，這是因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)有限的數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行。量子計(jì)算可幫助數(shù)字助手更像人類一樣做出回應(yīng)。

量子計(jì)算讓機(jī)密無(wú)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(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)的計(jì)算。

其它可能的應(yīng)用

包括藥物設(shè)計(jì)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(guò)一系列測(cè)試運(yùn)行英特爾的17量子位芯片，不過(guò)Clarke表示，他的團(tuán)隊(duì)正在改進(jìn)其設(shè)計(jì)，并計(jì)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(biāo)是制造一個(gè)商用量子計(jì)算機(jī)，政府以及各行各業(yè)可用它來(lái)應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)?！?，Clarke說(shuō)，這需要至少100萬(wàn)個(gè)糾纏的量子位，再加上用來(lái)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(rèn)為：等到這種計(jì)算機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，消費(fèi)者可能就不會(huì)對(duì)量子物理學(xué)感到困惑了。年輕人在思考問(wèn)題時(shí)往往更容易接受新東西，并且不受約束。

“我的孩子會(huì)比我75歲的父親更容易理解量子。如果你告訴他們一個(gè)電子同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，他們可能并不覺(jué)得不可思議。事實(shí)上，當(dāng)我告訴我的孩子這一點(diǎn)時(shí)，他們只是點(diǎn)頭表示同意。” Vandersypen說(shuō)。