量子计算机：学会了“分身术”

量子计算机是以量子力学为原理，循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。

◎什么是量子

“量子”一词的英文名称来自拉丁单词“quantum”，意思是“有多少”。物理学界引入这个词，指的是不可分割的基本个体，比如构成物质的原子、分子，构成光的光子等。

◎年轻的量子力学

我们在物理课上学的物理知识，准确的叫法是“经典物理学”。经典物理学是伽利略和牛顿等人在17世纪建立的，它研究的对象是肉眼能够看到的“宏观世界”。到了19世纪，科学家们开始观测粒子层面的运动，而经典物理学在“微观世界”不再适用，于是科学家们在20世纪初期创建了“量子力学”来描述粒子的性质。

◎匪夷所思的量子世界

叠加态：宏观世界的一切事物，在某个时刻的状态都是确定的，比如正在学校上课的人不会出现在其他地方。但是微观世界的粒子，如果不去观测，无法得知其所处的状态，每一个状态都是粒子的“量子态”，物理学家们用“叠加态”这个概念来表述粒子的状态，就是说这个粒子同时拥有所有可能的状态。

随机性：一辆从杭州开往上海的列车启动了，我们可以准确预测它两个小时之后的状态—它将到达上海站。但对于粒子的状态，我们无法做出如此精准的预测，只能得知它未来的所有可能，并给出每种可能的概率。

量子纠缠：在多个粒子组成的系统中，粒子之间可以相互影响。即便两个粒子相隔万里，只要它们还在一个系统内，改变其中一个粒子的状态，另外一个粒子也会发生相应的改变。

◎量子通信

1993年，查尔斯·亨利·贝内特和他的团队提出一种实验方案：利用量子纠缠现象，把一个粒子的信息瞬间复制到另一个粒子上。这样传递信息，完全没有泄密的可能。平时新闻上屡屡报道信息泄露的问题，就是因为人们使用的密码，不管再复杂都可以通过计算机来破解。现在，利用粒子来传递信息，由于量子的随机性，所以无法复制，而且任何的监听行为都会破坏信息本身，足以保证信息的绝对安全。

◎量子计算机

传统计算机使用0和1作为最基本的信息单位，假如说现在有两个信息单位，那么就有00、01、10、11四种情况，在传统计算机中只能占据其中一种可能性，但是在量子计算机中，由于量子的叠加态，这两个信息单位可以同时表示四种信息。

量子计算机的概念是由著名的物理学家理查德·费曼提出的。为了让普通人能够理解这个概念，费曼先生曾经用一个情景生动地进行了描述：这里是美国国会图书馆，这里有5000万册藏书，其中一本书的某页被画了一个大大的“×”，你需要在5分钟之内找到这本书。对于人类来说，这是一项不可能完成的任务，因为你需要一本本书翻阅。但是如果你有分身术的话，瞬间复制出5000万个你，那么你绝对可以在5分钟内完成。前者是传统计算机的工作方式，后者就是量子计算机的工作方式。

◎指日可待

谷歌、IBM和微软等国际计算机巨头都在积极研发量子计算机。2007年，加拿大的计算机公司D-Wave发布了世界上首台量子计算机“猎户座”，可以用于有限范围内的数据分析。2009年，美国开发出首台可编程的量子计算机。

2017年5月，中国科技大学研究团队构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。2018年12月，首款国产量子计算机控制系统Oringina Quantum AIO在合肥诞生。

但是迄今为止，世界上还没有一台能够投入应用的量子计算机，其中最大的问题是如何对微观下的粒子进行可控的操作。现在物理学家们已经能够在实验室操作一部分基本粒子，相信在不久的将来，普通人也能够享受到量子计算机带来的便利。