文／陳根
1900年，普朗克在論文里首次提出了能量的不連續(xù)性，一腳踢開了量子力學的大門。在量子世界里，所有物質都可以被還原成61種基本粒子。其中最重的基本粒子，質量也不超過3．1×10＾－25千克。
20世紀40年代，圖靈精確定義了算法的含義，并描述了我們現(xiàn)在所稱的圖靈機（Turing machine）：可以執(zhí)行任何算法的單一通用可編程計算設備。此后，計算機逐漸發(fā)展成為了一個產(chǎn)業(yè)，并深刻改變了我們的生活。
1981 年，著名物理學家費曼觀察到基于圖靈模型的普通計算機在模擬量子力學系統(tǒng)時遇到的諸多困難，進而提出了經(jīng)典計算機模擬量子系統(tǒng)的設想。當量子物理與計算機器狹路相逢，1985年，通用量子計算機概念終于誕生。
自此，量子力學進入了快速轉化為真正的社會技術的進程，人類在量子計算應用發(fā)展的道路上行進的速度也越來越快。如今，量子計算離我們已不再遙遠。
從經(jīng)典計算到量子計算
通常來說，量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，它與現(xiàn)有計算模式完全不同。在理解量子計算的概念時，通常將它與經(jīng)典計算相比較。
在經(jīng)典計算機中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計算機所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡單操作。
與傳統(tǒng)計算機由比特構成的方式類似，量子計算機由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構成，一個量子比特對應一個狀態(tài)（state）。但是，比特的狀態(tài)是一個數(shù)字（0 或 1），而量子比特的狀態(tài)是一個向量。更具體地說，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量。這個向量空間稱為狀態(tài)空間。
經(jīng)典計算使用二進制的數(shù)字電子方式進行運算，而二進制總是處于0或1的確定狀態(tài)。于是，量子計算借助量子力學的疊加特性，能夠實現(xiàn)計算狀態(tài)的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態(tài)（superposition）。
普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進制數(shù)（00、01、10、11中的一個），而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態(tài)的疊加。當量子比特的數(shù)量為n個時，量子處理器對n個量子位執(zhí)行一個操作就相當于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個操作。
此外，加上量子糾纏的特性，量子計算機相較于當前使用最強算法的經(jīng)典計算機，理論上將在一些具體問題上有更快的處理速度和更強的處理能力。
近年來，量子計算技術與產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢，而有關量子計算技術的突破多與三個因素有關，即量子比特能夠維持量子態(tài)的時間長度、量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量和對量子系統(tǒng)出錯的把握。
量子比特能夠維持量子態(tài)的時間長度，被稱為量子比特相干時間。其維持“疊加態(tài)”（量子比特同時代表1和0）時間越長，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進行的計算就越復雜。其中，IBM率先將量子技術引入實用計算系統(tǒng)，將量子比特相干時間提高到了100微秒。而當量子比特相干時間達到毫秒級時，將足以支持一臺能夠解決當今“經(jīng)典”機器解決不了的問題的計算機。
從量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量突破來看，2019年10月，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54個量子位處理器Sycamore，實現(xiàn)了量子優(yōu)越性。具體來說，Sycamore能夠在200秒內完成規(guī)定操作，而相同的運算量在當今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成。這項工作是人類歷史上首次在實驗環(huán)境中驗證了量子優(yōu)越性，也被《Nature》認為在量子計算的歷史上具有里程碑意義。
除了解決量子比特的數(shù)量問題，由于當量子比特失去相干性時，信息就會丟失，因此量子計算技術還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特。然后在讀取和控制達到比較高的保真度之后，去對量子系統(tǒng)做量子糾錯的操作。
基于此，研究人員借鑒經(jīng)典計算機里面糾錯的概念，來確保最后總的等效的量子操作，可以達到比較高的保真度，開發(fā)了所謂的量子糾錯。當然，現(xiàn)階段的量子糾錯還需要突破規(guī)模的門檻，但顯然不再是遙遙無期。
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