薛定谔的猫和诺贝尔奖

2013 年 1 月 9 日1,6530

这篇文章是转的,因为我对量子计算机实在是太有兴趣了解了。原帖地址在这里:  http://www.ithome.com/html/out/34354.htm

 

对于普通人来说,量子力学是个深不可测的概念。不过,随着最近几年科幻题材电影电视剧的风靡,“平行宇宙”、“平行世界”之类的词汇开始被频频提及,而它正是出自量子力学的相关概念。

 

想要了解什么是量子计算机,那么首先需要了解“薛定谔的猫”这个量子力学中的经典假设。

 

1935 年,奥地利著名物理学家,同时也是量子力学创始人之一的薛定谔设想出这样一个实验:一只猫被关进一个不透明的箱子里,箱子内事先放置好一个毒气罐,毒气罐的开关由一个放射性原子核来控制。当原子核发生衰变时,它会释放出一个粒子触发毒气罐的开关,这样毒气释放,猫就会被毒死。

 

根据量子力学的理论,在实验者没有开箱进行观测时,原子核处于衰变和未衰变的叠加状态,换言之,箱子里的猫既是活的也是死的,对于普通人来说,很难理解“既生又死”这样的状态,但这正是量子力学研究的领域。量子力学针对的是在微观环境下的物理现象,在这一环境中,大家中学时候学习的经典物理学中的规律会突然失效,微观世界是由另一套自然法则在操控,这也是为什么薛定谔的理想实验中猫既能是活的也能是死的。

 

不过,一旦打开箱子,微观实现就会出现“崩塌”,原子核的状态就会确定下来,此时猫是生是死也随之揭晓答案。

 

长期以来,由于不能实际观测,量子力学仅仅停留在理论之上,而缺乏实践的验证。然而,今年两位诺贝尔奖得主的成就正是在这方面取得了突破。他们各自通过精妙的实验,使“测量和操控量子系统成为可能”,让不打开箱子就能观察猫的生死变成了可能。当然,更重要的是,它也使量子计算机的实现变得不再遥不可及。

 

不再是空想的量子计算机

 

所谓量子计算机是基于量子力学基本原理实现信息处理的一项革命性计算技术。1982 年,美国物理学家费曼在一次演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法,当时他发现,分析模拟量子物理世界所需要的计算能力远远超过了经典计算机所能达到的能力,而用实验室中一个可控的量子系统来模拟和计算另外一个人们感兴趣的量子系统会非常高效,量子计算机的概念也应运而生。

 

量子计算机与经典计算机不同之处在于,对于经典计算机来说,其基本的数据单位就是一个比特,相对应的一个比特不是 0 就是1,而对于量子计算机来说,一个比特可以同时表示 0 和1,这就意味着两个比特就能表示 00、01、10、11 四种状态。这样,只要有 300 个量子比特,其承载的数据就能是 2 的 300 次方,这将超过整个宇宙的原子数量总和。简而言之,量子计算机的运算能力将是目前经典计算机所无法比拟的。

 

前面的表述未免抽象,举一个形象的例子:目前最好的多核处理器能够解密 150 位的密码,如果想要解密一个 1000 位的密码,那么需要调用目前全球的计算资源才有可能实现。但是从理论上讲,一台量子计算机在几个小时内就能解决这一问题。在量子计算机面前,目前世界上最复杂的密码也会变得不堪一击,这意味着互联网上将不再有秘密可言,人类需要重新设立一套与现在完全不同的信息加密系统。

 

量子计算机的用处当然不只是破译密码,在大数据分析的时代,对计算机运算能力的要求正变得愈来愈高,从语义识别到人工智能,都需要倚仗计算机强大的运算能力才能完成,这也让业界对于量子计算机的诞生充满了期待。

 

不过,虽然理论上 300 个量子比特就能赋予计算机难以想象的运算能力,但现实与想象毕竟还存在不小的差距。根据清华大学交叉信息研究院助理研究员尹章琦的介绍,估算大概需要至少一万个量子比特才能超越经典计算机的计算能力,“因为我们需要对计算过程进行纠错,所以需要很多个物理比特才能获得一个可容错的逻辑比特。估计需要大概一千个逻辑比特运行 Shor 算法来超越经典计算机的计算能力,那么物理比特至少要高一个量级,甚至可能要高两个量级”。尹章琦所从事的正是关于量子信息与量子光学的理论与实验研究。

 

 

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