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大科技杂志社■“量子霸权”指的是什么？( 二 )


【大科技杂志社■“量子霸权”指的是什么？】态叠加原理
根据量子力学的不确定原理 ， 它有一个叠加态 。 叠加态的意思是各个态的叠加状态 ， 这意味着在任意时刻粒子的状态都是不确定的 ， 每种状态的存在都有一定的概率 。 拿电子自旋方向举例 ， 假设电子自旋向上的概率为70% ， 自旋向下的概率为30% ， 那么某一时刻电子自旋的状态为向上状态和向下状态以7:3的比例叠加的状态 。
因为粒子的量子态是瞬间变化的 ， 所以量子计算机的指令也是瞬间变化的 。 例如“10”这个指令 ， 在传统计算机中 ， 它仅仅为指令“10” 。 但是在量子计算机中 ， 由于这2个量子比特的状态都是可以变的 ， 你只能说在这个瞬间指令处于“10”状态 。 但几乎在同一瞬间 ， 这个指令已经分别变成了“11”“01”“00”——我们甚至可以认为“10”“11”“01”“00”这四个指令是等效的 ， 也就是说指令“10”和其他三个指令都代表了以上四种状态 。
所以 ， 在传统计算机里 ， 一个n位比特的指令就仅仅为一个指令 ， 但如果量子计算机里 ， 由于每一位量子比特都在2种状态中来回切换 ， 所以一个n位量子比特的指令一共包含2n个指令 。 一个就能代表2n个 ， 可想而知 ， 量子计算机需要存储的指令远小于传统计算机 。 这可比孙悟空要厉害多了！
更可怕的是 ， 这2n个指令是可以同时执行的 。 从这一点上来说 ， 传统计算机的落后就远不是内存的问题了 。 你想一下 ， 两个“武林中人”打架 ， 一个使用“传统”武术 ， 另一个使用“量子”武术 。 他们两个人同时冲拳 ， 使用“传统”武术的人一次只能打出一种拳 ， 但是使用“量子”武术的人打出的拳瞬间化为成千上万种拳法打向了对手 。 可想而知 ， “传统”武师必然败于“量子”武师 。
如何测量叠加的量子态？
想象一下你刚入住新房 ， 从传统的角度 ， 你会获得一串房间里各个锁的钥匙 ， 而从量子力学的角度 ， 你会获得一把包含所有开锁功能的“万能钥匙” 。 当有一天你忘记哪一把钥匙是大门的锁的钥匙了 ， 你不用一把一把的试钥匙 ， 你只需要将这“万能钥匙”插进去 ， “万能钥匙”瞬间同时进行成千上万种尝试 ， 大门的锁立刻就能被打开 。
大科技杂志社■“量子霸权”指的是什么？
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量子比特是一种叠加态 ， 它既可以是“1”也可以是“0” 。 还没有测量时 ， 我们是不知道它是什么状态的 。 但我们要想利用它 ， 就必须能够在任意瞬间知道它是“1”还是“0” 。 所以 ， 测量量子比特的状态 ， 变成了量子计算需要解决的第一个问题 。 就像上文的例子 ， 你虽然打开锁了 ， 但是你想知道这把钥匙是用哪一种方式把锁打开的 。
然而 ， 量子态是“有脾气”的 。 就像一个川剧变脸的表演者 ， 当他在快速变脸时 ， 你无法看清楚某一时刻到底是哪一张脸 。 但是当你叫停 ， 准备观察其中某一张脸时 ， 他可能就会生气不再表演了 ， 因为你破坏了他表演的“兴致” 。 同样的 ， 量子态也有这样的脾气 ， 一旦外界对粒子进行干扰 ， 粒子很可能就永远的固定为一个状态 ， 不再改变 。 这就是说 ， 一旦你对粒子进行测量 ， 粒子的量子体系就可能会被破坏 ， 粒子就永远固定为一个状态 。
有人常问：为什么宏观世界看不到量子现象 ， 其实就是外界的干扰太大了！在量子世界 ， 我们可不想出现这种情况 ， 所以如何进行测量得到所需要的信息的同时 ， 需要避免测量的干扰使得这把“万能钥匙”变成特定的“普通钥匙” 。
量子计算的难点
量子力学诞生后的很长一段时间内 ， 制造并测量一个处于量子态的粒子是一个难以解决的问题 。 这需要科学家们将一个粒子孤立出来 ， 避免其受到外界环境的干扰 。 同时还得对其进行测量 ， 证明其是否处于量子态 。 孤立粒子已经是一件困难的工作 ， 而测量更是难上加难 ， 因为测量不当就意味着科学家将会破坏自己制造的量子态 。


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