这就是量子计算——给孩子读的科普赛先生

在过去四年，《赛先生》与Frontiers for Young Minds合作，设立诺奖得主为孩子们撰写的科普专栏，受到青少年读者朋友的欢迎。

在此基础上，《赛先生》再次携手Frontiers for Yong Minds，推出“给孩子读的科普”系列，为青少年带来前沿话题的科普文章。这些文章均出自海内外知名高校、科研机构的研究人员，经青少年审读，力求通俗易懂，而不失科学的严谨。我们相信，当孩子们得以站在科学前沿眺望，好奇的种子埋下，探索的热情便会萌芽。

今天的文章，关于量子计算，一个新兴而活跃的研究领域。

量子计算是一门新兴的研究和技术领域，它运用量子力学的科学原理，创造出具有革命性能力的计算机。尽管现有的量子计算机规模有限且容易产生较大的误差，但在未来，量子计算机或许能够执行那些世界上最强大的超级计算机也远远无法完成的任务。这意味着，量子计算机有望彻底改变我们生活中的许多重要领域！

在本文中，我们将从当前经典计算机的工作原理出发，去探索量子计算。我们将深入探讨是什么使得量子计算机拥有远超传统计算机的潜力。我们将看到，其巨大能力的来源，就是量子叠加！让微观粒子同时处于多种状态的神奇特性！

经典计算机如何存储信息？

在深入探索量子计算的神奇世界之前，我们先来了解一下现有的经典计算机如何存储信息。

计算机存储信息的基本单位称为比特（bit，计算机可存储的最小数据单位）。每个比特可以存储一个值为0或1的信息，多个比特组合起来就能表示更复杂的信息。例如，我们可以用6个比特组成字符串“101010”来存储数字42。如果将数百万甚至数十亿个比特组合在一起，就能存储更复杂的信息，如图片、视频和电子游戏。

比特是通过一种被称为晶体管（transistor）的微型电子元件来存储的。晶体管的工作原理类似于开关：当晶体管处于关闭状态时，它存储数值0；当晶体管处于开启状态时，则存储数值1。图1直观展示了如何利用这种逻辑创建比特字符串（例如“101010”）。为了拥有足够多的比特来存储复杂信息，一部现代手机通常包含数十亿个密集排列的晶体管。

图1 晶体管如何存储信息的简易示意图。每个晶体管或处于“开启”状态（绿色），或处于“关闭”状态（红色）。若晶体管为开启状态，则存储数值1；若为关闭状态，则存储数值0。如图所示，我们使用六个晶体管存储了二进制字符串“101010”，该字符串的编码对应数字42。

总结一下，我们现有的经典计算机使用数十亿个晶体管在存储器中存储信息。每个晶体管存储一个比特（0或1），它们组合起来就能表示复杂的信息。历史上，计算机的发展遵循着摩尔定律（Moore’s Law），即微芯片上可容纳的晶体管数量预计约每两年翻一番。（译者注：摩尔定律的核心内容为：处理器的性能大约每两年翻一番，同时价格下降一半。）

如今，现代计算机芯片每平方毫米可容纳超过1亿个晶体管，而我们可能正逐渐逼近其物理集成的极限。这也引发了关于摩尔定律是否已“失效”的激烈讨论。

什么是“量子”计算机？

量子计算机是一种利用量子粒子（quantum particles，由量子力学描述的物质和能量最小单位，例如电子和光子）的独特行为进行计算的设备。但“量子”一词从何而来？它又意味着什么呢？

量子一词源自量子力学（quantum mechanics），这是用来描述宇宙中最小尺度物理规律的理论。量子力学揭示了粒子如何运动、粒子之间如何相互作用，这些规律为量子计算的实现奠定了基础。

量子力学描绘了一个令人着迷的世界：粒子能够像海洋中的波浪那样，在空间中扩散、同时处于多种状态并相互干涉[1]。量子世界的行为方式与我们在日常生活中所见、可预测的宏观世界截然不同！尽管量子力学描述的粒子行为令人难以置信，但它却是科学史上最精确的理论之一[2]。

微小粒子的行为最适合用量子力学来描述。电子、光子（光的粒子）以及原子核都表现出典型的量子行为，因此都属于量子粒子（quantum particles），并具备一系列特殊的量子特性。在这些特性中，最基础、最关键的一条，是量子叠加态原理（superposition）：在未被测量之前，一个量子粒子可以同时处于多种状态的叠加之中。当这种叠加态被用来编码信息时，一个量子比特就不再局限于“0”或“1”，而能够同时代表多种可能性。这一特性使量子粒子能够存储的信息量远超我们使用晶体管所能存储信息量的极限，正是量子计算获得巨大计算潜力的物理根源。

量子比特与薛定谔的猫之谜

量子计算机与普通计算机的核心区别在于：量子计算机使用量子粒子而非晶体管来存储信息并进行计算。正如我们将晶体管存储的信息单位称为比特（bit）一样，量子粒子存储的信息单位则被称为“量子比特”（qubit，即quantum bit的缩写，每一个量子比特都可以处于同时存储0和1的叠加态）。

要理解为何量子比特比普通比特更强大，首先需要了解量子力学中的叠加原理。

“叠加”（superposition）这个词听起来或许有些深奥，但它本质上是指“同时处于多种状态”。尽管听起来不可思议，但事实上，量子粒子确实能实现多种形式的叠加。例如，一个粒子同时存在于不同位置并朝不同方向运动。如果我们将粒子理解为在空间中扩散的波而不是点状物体，可能会更便于理解这一概念。

或许你会觉得难以置信，但我们其实可以通过一个著名而简单的故事来让你深刻地理解量子叠加。这个故事就是薛定谔的猫（Schrödinger’s Cat），由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1935年提出[3]。故事始于一只被关在密闭箱子里的猫，箱子里面被放置了放射性元素和一瓶毒药。如果辐射源随机释放出一个粒子，就会触发锤子落下击碎毒药瓶，从而导致猫死亡（图2）。不必纠结毒药瓶破裂的具体机制——你只需要知道，这是一个无法提前预测的、上帝都说不准会不会发生的随机过程。

图2 薛定谔的猫思想实验示意图。放射性元素（带有黑色辐射标识的蓝色小方块）可能随机释放辐射。一旦辐射释放，将触发一连串事件导致绿色毒药泄露。在打开箱子之前，猫（在假设中）处于既死又活的叠加状态。这个故事看似有些荒诞，却巧妙类比了量子粒子等微观物体的行为方式——它们能够同时处于多种状态之中。

如果箱子始终保持密闭状态，我们就无法知晓毒药是否已经释放，也无从判断猫的生死。薛定谔指出：在打开箱子之前，我们必须认为猫同时处于死亡与存活的状态。换言之，猫处于一种既死又活的叠加态。然而，一旦我们打开箱子观察内部情况，这种叠加态便会消失，我们就能确切知晓猫的状态。

认为猫能同时处于生死两种状态听起来确实很荒诞，但这个故事很好类比了量子力学描述粒子行为的方式。例如，当我们不测量粒子状态时，它确实可以处于多种状态的叠加中；可一旦进行测量，这种叠加就会消失，粒子会“坍缩”（collapse）至其可能状态中的某一种。本质上，粒子能在叠加态中承载海量信息，但当我们试图测量这种叠加状态时，只能获取其中单一的信息片段。

量子计算：叠加带来的指数级力量

量子力学告诉我们，微观粒子具有一种称被为自旋（spin）的内在属性。所谓自旋，其实是指“自旋角动量”，它是粒子的固有属性。自旋方向可以朝上或朝下[1]。为便于理解，我们假设“自旋向上”代表数值1，“自旋向下”代表数值0。由此可见，量子粒子与晶体管类似，也能用来存储信息单元（此时称为量子比特）。并且，我们可以将多个量子粒子组合成比特串。

然而，量子力学进一步指出：量子粒子可以同时处于“自旋向上”与“自旋向下”的叠加态——这意味着量子比特能同时存储0和1的数值，这是晶体管根本不可能做到的（图3）。

图3 同时处于1和0叠加态的量子比特示意图。电子（以橙色圆球表示）上的箭头指示其自旋方向，自旋可向上（存储数值1）或向下（存储数值0）。根据量子力学的叠加原理，电子能够同时处于自旋向上和自旋向下两种状态，因此，电子可以同步存储数值1和0。

如果我们将两个量子比特组合起来，这个2量子比特系统便能同时存储“00”“01”“10”“11”四种状态；而在传统的经典计算机中，2比特晶体管系统每次只能存储这四种状态中的一种。当扩展到3量子比特时，我们可以同步存储“000”“001”“010”“011”“100”“101”“110”“111”八种状态！实际上，当我们组合n个量子比特时，便能同时存储2的n次方个状态。仅仅需要50个量子比特，就能同时存储超过1千万亿（10的15次方）种状态——这使得量子计算机可能访问的状态数量，甚至超过配备数万亿晶体管的超级计算机。这就是叠加带来的指数级增长的力量！

然而这里有个问题——当我们测量量子计算机的状态时，其叠加态会发生坍缩，所以每次只能获取少量信息。这就像从一幅巨大拼图中仅仅取出一片。因此，设计量子算法时必须充分考虑这个问题！解决这一问题的关键在于构建有效的量子算法，使其能同时利用所有叠加可能性，并策略性地提取尽可能多的有效信息。

量子计算机正照进现实

如今，我们正处于量子计算的含噪中等规模量子（noisy intermediate scale quantum，NISQ）时代。这意味着，当前的量子计算机仍受限于规模且易产生较大误差，所以大多数设备还没有应用于实际场景[4]。全球的研究人员和创新型企业正在为建造更大规模、更低误差的量子计算机铺就道路。令人惊叹的是，2023年，人们迎来了首批千量子比特计算机的问世，但在降低这些设备的错误率方面，仍有很长的路要走[5]。

尽管量子计算的未来尚不明确，但毫无疑问，量子技术的进步将为人类的通信与信息处理开启无限可能。与此同时，它也可能带来一系列新的挑战——例如：如何确保这项强大技术的伦理应用。但有一点似乎可以肯定：量子计算终将改变我们所处的世界。