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量子计算机:人类技术到此为止了?
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   从我们的历史来看,人类的科技大都建立在脑、火与尖锐的棒子上。当火和尖锐棒状物变成发电厂和核武器时,脑的大进化已经开始发生。自从1960年代来,电脑的运算能力呈献指数性的成长,使得电脑愈来愈小,同时愈来愈强大。

  但是计算技术演化已经快碰到了物理上的极限,电脑元件尺寸正在趋近于原子的大小。 为了说明这为什么是个问题,我们必须要先讲解一些基本知识。

  电脑是由执行简单功能的简单元件所组合而成,以呈现数据,意思就是运算并控制机械。

计算机芯片包含模组,模组包含逻辑门,逻辑门包含晶体管。晶体管代表着电脑的处理器里一个最简单的型态,简单说是个可以阻挡、通过信息的开关。而此信息是由比特构成,它可以设为0或者1,多个比特的组合通常代表着更复杂的信息。

  将晶体管组合后会变成逻辑门,它还是只有简单的功能,例如,一个AND门只有在输入值皆为1时才会输出1,否则就会输出0。最终组合不同的逻辑门形成了有意义的模组,比方说加法的功能模组。

  一旦你能够使用加法,你也可以使用乘法,一旦可以使用乘法,基本上什么都可以做了。自从所有基本运算都比一年级的数学简单,你可将电脑想像为一群在回答基础数学题的7岁小孩。足够数量的小孩可以计算所有的东西,不论是天文物理或萨尔达传说。

  然而,随着元件愈变愈小,量子力学让事情变得很诡异。

  简而言之,一个晶体管只是一个电流开关。电流表示电子由一端流向另一端,所以开关就是可决定是否让电子流过的单向通道。现今的晶体管尺寸大约是14纳米,是艾滋病病毒直径的1/8,并且是是红血球的1/500。

  当晶体管小到仅几个原子大的尺寸时,电子会无视阻挡将自己传送到另一端,这现象称作量子隧穿效应。

  在量子世界里,物理运作方式和我们平常看到的不太一样,而传统的电脑就开始没逻辑了。我们的科技正一步步接近物理的极限,为了解决这问题,科学家尝试利用量子物理不寻常的特性中的优点,方法就是建造量子计算机。在一般电脑中,比特代表着信息的最小单位。

  量子计算机使用的是量子比特,它同样可以设成0和1。一个量子比特可以是任何二阶的量子系统,像是自旋和磁场,或是单一的光子,0和1是系统中可能存在的状态,就像是光子横向或纵向的偏振。

  在量子世界里,量子比特不一定是0和1这两种状态之一,它可以在他们间同时表现出所有的偏振状态,这被称作为量子叠加。

  但当你想把一个光子送到滤波器做测试时,它必须决定自己是纵向或横向偏振,所以当它被观测之前,量子比特就代表着0和1之间所有可能的叠加状态,你无法预期是哪个状态。但当你测量它的瞬间,它将会塌陷为一个固定的状态,量子叠加状态改变了游戏的规则。

  四个传统比特中,每个比特各自表示两种状态中的一种,这共包含了16种不同的组合,但只能使用其的一组。四个量子比特则可以同时代表着16种状态,每增加额外的量子比特,组合数将会是指数性的成长,20个量子比特就可以平行储存100万个数值。

  量子比特还有一个诡异并不确定性的特性,那就是量子纠缠。

  它使另一组纠缠状态的量子比特呈现与自己相反的状态,就算他们之间被分开多远都一样。这意味着只要测量其中一个纠缠态的量子比特,利用这特性就能不用观测而得知另一组结果。

  操控量子比特就像是脑筋急转弯,一个普通的逻辑门有着单纯的输入,并产生一个固定的输出。量子门输入一个叠加,旋转它改变机率,输出另一个叠加。所以一台量子计算机操作部分的量子门产生纠缠,并控制机率,最后测量输出,让叠加状态崩溃后得出最后结果的0和1。

  这意味着你可以将这么多种可能性同时进行运算,最终你只会测量到一个结果,而这结果只是有很高的机率可能就是你要的。所以你可能要多计算几次以检查结果。

  但巧妙地运用叠加和量子纠缠,效率相比一般电脑将会是指数性的成长,所以量子计算机虽然无法取代现在的计算机,但在某些领域它们是非常优越的,其中之一就是数据库搜寻。

  一般电脑再数据库中搜寻可能要搜寻每一份资料,量子算法只需要原来运算时间开根号的时间,这在大型数据库上会有着极大的差距。

  量子计算机中最著名的用法就是破解信息安全机制 ,现在你浏览的银行邮件还是被加密系统给保护着,借由你给其它使用者不同组的公钥,来加密只有你能解密的讯息。问题是拿到公钥的人可以计算出你的密钥。

  幸运的是,使用一般的电脑必须花上数年运算,不断地尝试错误才有办法解开。但对于量子计算机,由于运算速率是呈指数的增加,这可能只是小菜一碟。

  另一个著名的用法就是当作模拟器 。模拟量子世界非常地消耗资源,甚至是一些巨大的结构体,例如分子结构。它们通常缺乏精准度,所以为何不用真实的量子计算机来模拟量子物理环境呢?模拟量子环境可能让我们更了解蛋白质的组成,这将给我们的医学带来革新。

  目前我们并不清楚量子计算机会个是专门用途的工具,还是为人类带来重大革新。我们还不清楚科技的极限在哪里,但只有一种方法可以找出答案。


  

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