量子計算經常佔據新聞頭條。“量子”這個詞本身就足夠吸引人，再加上我們迄今為止所看到的超越一切的計算能力，它就變得不可抗拒。但量子計算到底是什麼？

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0， 1，兩者都有

要掌握量子計算，首先要記住，一臺普通計算機是在0和1上工作的。無論您希望它執行什麼任務，無論是計算總和還是預訂假期，底層過程總是相同的：任務的一個例項被轉換成一個由0和1組成的字串（輸入），然後由演算法進行處理。一個由0和1組成的新字串在輸出端出現，它對結果進行編碼。無論一個演算法看起來多麼聰明，它所做的一切都是對位元的字串進行操作——其中每一個位元要麼是0，要麼是1。在機器層面上，這種非此非此的二分法用電路來表示，電路可以是閉合的，在這種情況下有電流流動，也可以是開啟的，在這種情況下沒有電流。

量子計算基於這樣一個事實：在微觀世界中，事物不必像我們從宏觀經驗中期望的那樣清晰。像電子或光子這樣的微小粒子，可以同時處於我們通常認為相互排斥的狀態。例如，它們可以同時出現在幾個地方，而光子同時表現出兩種極化。在日常生活中，我們從來看不到這種不同狀態的疊加，因為一旦觀察到一個系統，它就不知怎麼地消失了：當你測量一個電子的位置或一個光子的偏振時，除了一個之外，所有的可能選擇都被消除了，而你只會看到一個。沒人知道這是怎麼發生的，但它確實發生了。

疊加的想法讓物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）推測，盒子裡的貓可能是死的，也可能是活的，只要你不看它。（這隻貓肯定還活著。）

疊加使我們擺脫了二進位制約束。量子計算機工作的粒子可以是疊加的。這些粒子不代表位元，而是代表量子位元，量子位元可以代表0或1，或者同時代表兩者。“如果你對（這樣的量子系統）做了一些事情，就好像你同時對0和1做了一樣，”劍橋大學量子計算的先驅理查德·喬薩解釋說。

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幽靈行動

你可能會反對說，像疊加這樣的東西，也許只用普通的經典物理就能實現——也許是透過同時處理兩個普通的位元或者類似的東西——在這種情況下，量子計算不會比經典計算更令人驚奇。但量子物理學不僅僅是疊加。如果你觀察一個超過一個量子位元的系統，那麼單個的組成部分通常不是彼此獨立的。相反，它們會被糾纏在一起。例如，當你測量兩個量子位元糾纏系統中的一個量子位元時，無論你看到的是0還是1，結果都會立即告訴你，當你測量另一個量子位元時，你會看到什麼。即使粒子在空間中是分離的，它們也會糾纏在一起，這一事實使得愛因斯坦將糾纏稱為“幽靈般的遠距離作用”。

阿爾伯特·愛因斯坦把糾纏稱為“幽靈般的遠距離作用”。

糾纏意味著使用普通的經典資訊（比如位或數字）來描述一個由幾個量子位組成的系統，而不是簡單地將單個量子位的描述串在一起。相反，你需要描述所有不同量子位之間的關聯。當你增加量子位元的數量時，相關的數量呈指數增長：對於n個量子位元，有2n個相關。這個數字很快就爆炸了：要描述一個有300個量子位的系統，你所需要的數字已經比可見宇宙中的原子數量還要多。這個想法是這樣的，既然你不能指望用經典位元寫下只有幾百個量子位元的系統中所包含的資訊，那麼也許一臺用量子位元而不是用經典位元執行的計算機，可以執行經典計算機永遠不可能完成的任務。這就是為什麼物理學家認為量子計算有這樣的前景的真正原因。

不過，這裡有個問題。雖然量子演算法可以將糾纏量子位以疊加的方式作為輸入，但輸出通常也是量子狀態——而且這種狀態通常會在你試圖觀察它時發生變化。“大自然在這裡耍了個花招，”喬薩說。“她更新了一個量子態，但她不允許你得到所有的資訊。”量子計算的藝術在於從不可見的事物中獲取儘可能多的資訊。

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一個例子

量子演算法的一個例子是Jozsa和另一位量子計算的先驅David Deutsch共同開發的一個演算法。它執行的任務有點奇怪，但我們將這樣考慮它。想象一下，一群人在天堂門口等著，看是否能進去。守衛這些大門的是聖彼得（Saint Peter），出於對計算機科學的熱愛，他用二進位制數字給所有人打上了標籤。碰巧有2^3 = 8個人，這意味著每個人都有自己獨特的由30和1組成的字串（關於二進位制數的更多資訊，請參閱右邊的表格或本文）。如果要讓相應的人進來，Peter會給一個特定的位串分配一個1來記錄他的決定，如果不讓相應的人進來，就給一個0來記錄他的決定。（技術上，這種分配被稱為布林函式，給每個位字串分配0或1的規則。布林函式是計算機科學的主要組成部分，這就是為什麼我們的例子並不像乍一看那樣牽強附會的原因。

你不知道彼得將決定每個人，但你知道他在他的方法：他會讓大家在（每一位串被分配1），或者他會讓一半的人（一半的長字串分配一個0，另一半1）。你的任務不是找出每個人都發生了什麼，而是彼得是否很慷慨，讓所有人都進去，或者他是否心情不好，決定只讓一半人進去。你需要查詢彼得的布林函式的多少值來找出兩個選項中的哪一個？

如果你像一臺經典計算機一樣工作，那麼在最壞的情況下，你將不得不查詢這個函式五次。這是因為即使您看到分配給前4位字串的1，您仍然不能確定所有的位字串都帶有1：仍然有可能它只是其中的一半，所以您需要進行第五次查詢。但是，如果你有一臺量子計算機，你可以讓它同時查詢所有8個人的函式值，所以你只需要查詢一次。“為了使用這種有趣的疊加輸入一次性執行程式的成本，您需要以某種方式一次性計算出所有的（值），”Jozsa解釋說。在經典量子計算的這個優勢就更明顯有更多的人：2^ n個人組成的一條線，一個經典的計算機需要查詢函式2 ^（n - 1） + 1次，一個數字的生長非常迅速，隨著n。量子計算機將永遠只需要一次。

但這是自然界的一個詭計：你的八個同時查詢的值將被編碼在一個量子狀態中，你實際上無法讀取，因為任何對它的測量都會干擾它。不過，幸運的是，你並不是想知道每個人身上會發生什麼。你只想知道彼得是不是大方我們的脾氣暴躁。“這只是一個肯定-否定的問題，”喬薩說。“這是關於很多價值觀的少量資訊。”

量子計算能把我們帶得更高嗎？

Jozsa和Deutsch展示了在你的量子態上執行一個額外的操作是可能的，這個操作可以將你想要的簡單資訊轉移到正確的位置，以便你能夠讀出它。這有點像一所紙牌搭成的房子，你一看就會倒塌。你可能永遠無法看到它的全貌，但如果它以正確的方式建造，你至少可以從倒塌的石堆中確定一些資訊。這就是為什麼量子計算機比經典計算機更強大的原因之一。為了在由許多元件組成的系統中找到即使是簡單的模式或結構，經典計算機通常別無選擇，只能首先單獨地評估所有（或至少是許多）元件。另一方面，量子計算機可以同時對它們進行評估。儘管您可能無法讀出所有這些單獨的值，但您通常可以從中提取足夠的資訊來收集模式。

Jozsa和Deutsch在1992年提出了這個演算法，它是第一個被證明比任何經典演算法執行相同任務的速度都要快的演算法。但是，如果你把Jozsa和Deutsch想象成在實驗室裡瞎折騰的量子工程師，那你就大錯特錯了。他們都是理論家。他們使用描述量子力學和理論計算機科學的數學形式來計算兩者的結合能實現什麼。這是一個純粹的數學努力——我們離真正建造能夠執行有用任務的全功能量子計算機還有一段路要走。

作者： Marianne Freiberger

翻譯： If Any

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