量子计算机|陈根：量子计算，升级信息时代芯片|Google|量子力学|重器

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文/陈根
在十九世纪初期，完美的经典物理学的大厦已经建成。然而，还有“两朵乌云”仍然笼罩在经典物理学大厦的上方，其中一朵就是黑体辐射的紫外灾难。为了解释这个现象，并结合已有的对氢原子光谱等问题的研究，量子力学横空出世。
量子力学发展起来，延伸出许多相关的分支，量子计算就是最为人们所看好的量子技术之一。拥有高出普通计算机数十甚至数百倍算力的量子计算机，是吸引了无数科技公司、大型学术团体乃至中国政府的研究热点。当前，各公司，甚至各国——都在争夺量子计算这个新兴技术领域的龙头地位。
量子计算的玫瑰与荆棘
众所周知，经典计算机以比特（bit）作为存储的信息单位，比特使用二进制，一个比特表示的不是“0”就是“1” 。但是，在量子计算机里，情况会变得完全不同，量子计算机以量子比特（qubit）为信息单位，量子比特可以表示“0” ，也可以表示“1” ，还可以做到“既1又0” ，这意味着，量子计算机可以叠加所有可能的“0”和“1”组合，让“1”和“0”的状态同时存在。
相较于经典计算，基于量子比特特性的量子计算机优势显而易见。普通计算机中的2位寄存器一次只能存储一个二进制数，而量子计算机中的2位量子比特寄存器可以同时保持所有4个状态的叠加。当量子比特的数量为n个时，量子处理器对n个量子位执行一个操作就相当于对经典位执行2n个操作，这使得量子计算机的处理速度大大提升。可以说，量子计算机最大的特点就是速度快。
以质因数分解为例，每个合数都可以写成几个质数相乘的形式，其中每个质数都是这个合数的因数，把一个合数用质因数相乘的形式表示出来，就叫做分解质因数。比如， 6可以分解为2和3两个质数；但如果数字很大，质因数分解就变成了一个很复杂的数学问题。 1994年，为了分解一个129位的大数，研究人员同时动用了1600台高端计算机，花了8个月的时间才分解成功；但使用量子计算机，只需1秒钟就可以破解。
此外，根据量子力学，在微观世界，能量是离散化的，就像不停地用显微镜放大斜面，最后发现所有的斜面都是由一小级一小级的阶梯组成一样，量子并不是某种粒子，它指代的是微观世界中能量离散化的现象。量子系统在经过“测量”之后就会坍缩为经典状态。
这就是那个经典的“薛定谔的猫”的思想实验，当我们打开密闭容器后，猫就不再处于叠加状态，而是死猫或者活猫的唯一状态。同样，量子计算机在经过量子算法运算后每一次测量都会得到唯一确定的结果，且每一次结果都有可能不相同。根据基础的量子门，科学家可以开发出相应的量子算法。
虽然量子计算机每一次的测量结果都类似“上帝掷骰子”一样会发生不同，但是只要量子算法设计合理，量子计算机运算结果中出现概率最大的结果就是正确结果。面对较为复杂的计算问题，经典算法需要进行各态遍历等重复操作，算法的复杂度较高，而量子算法则能较快得到结果，只需少数测量取样得到计算结果概率即可知道正确结果。但显然，这不是一个容易的过程。
一方面，量子比特需要处在相互依赖的叠加态——也被称为“量子相干”的状态，在此状态下量子比特会相互纠缠，一个量子比特的变化会影响其他所有量子比特。为了实现量子计算，就需要保持所有的量子比特相干。
然而，量子相干实体所组成的系统和其周围环境的相互作用，会导致量子性质快速消失，即“退相干” 。想要建造量子计算机，研究人员就必须设法延长退相干时间，但目前的技术仅能将时间延长到零点几秒。随着量子比特数量的增加，其与外界环境接触的可能性增大，想要延长退相干时间的难度也就越大。
另一方面，正如自然中的其他过程一样，量子计算过程中也有噪声。来自量子比特内的热量、来自基本的量子力学过程的随机波动都可能会干扰量子比特的状态，从而造成计算错误。噪声在经典计算中同样存在，但不难解决，只要给每个比特保存两到三份备份，这样一个错误的比特就很容易被发现和剔除。而在量子计算机中，所有的计算能力却往往被用于纠正错误，而不是运行算法时，于是，解决噪声问题的策略反而成为了一种负担。