近來(lái)，有關(guān)量子計(jì)算的新聞不斷刷屏。量子計(jì)算機(jī)的突破，為我們描繪著更快、更強(qiáng)的未來(lái)計(jì)算場(chǎng)景。然而，對(duì)于大多數(shù)人來(lái)講，量子計(jì)算機(jī)依然是“不明覺(jué)厲”的存在。

我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，表述量子計(jì)算機(jī)能力水平的一個(gè)重要參數(shù)是它的量子比特?cái)?shù)。無(wú)論是我國(guó)66比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，還是近日IBM公司宣布制造出的127個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，量子比特都是一個(gè)繞不開(kāi)的概念。那么，究竟什么是量子比特？它為什么在量子計(jì)算中“舉足輕重”？提高量子比特?cái)?shù)的難點(diǎn)又在哪？

“既死又活”的薛定諤貓

量子比特是量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元。與常規(guī)計(jì)算機(jī)使用的非0即1的二進(jìn)制碼不同，量子比特可同時(shí)以0和1的狀態(tài)存在。這種不確定性來(lái)源于物理學(xué)中的量子疊加：一個(gè)量子系統(tǒng)能同時(shí)存在于多個(gè)分離的量子態(tài)中。

想要進(jìn)一步理解量子疊加，就不得不提及著名量子物理學(xué)家薛定諤的那只“既死又活”的貓。

薛定諤的貓其實(shí)是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。它假定一只貓被關(guān)在一個(gè)密閉房間內(nèi)，房間里有一瓶裝著劇毒氣體的玻璃瓶，瓶上方有一個(gè)裝有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率發(fā)生衰變。盒里還有一個(gè)機(jī)關(guān)偵測(cè)放射性原子是否發(fā)生衰變。若發(fā)生了衰變，機(jī)關(guān)將控制一個(gè)錘子砸碎玻璃瓶，釋放出毒氣，從而使貓死亡。

但有一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)了：假定關(guān)貓的盒子不透明且隔音，不打開(kāi)盒子的話便無(wú)法知道貓的死活。如果問(wèn)貓是死是活，怎么回答？不打開(kāi)盒子的話只能推斷貓可能是死的，也可能是活的。

因此，現(xiàn)在盒子里關(guān)著一只“既死且活”的貓。雖然我們?cè)趯?shí)際生活中并不會(huì)遇到這樣的“幽靈貓”，但量子比特卻存在相似的情況。量子比特可以同時(shí)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的多重狀態(tài)（疊加態(tài)），這種現(xiàn)象就是量子疊加。

打破疊加態(tài)的方法是測(cè)量。例如，我們打開(kāi)盒子后便知道了貓的生死。因?yàn)槲覀兊玫搅舜_定的結(jié)果（非死即活），疊加態(tài)便不復(fù)存在，物理描述為疊加態(tài)坍縮到某一個(gè)量子態(tài)。這個(gè)打開(kāi)盒子的過(guò)程就是測(cè)量。

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程便涉及通過(guò)測(cè)量量子比特，使其量子態(tài)坍縮為0或1。這就使得量子計(jì)算機(jī)與我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的計(jì)算機(jī)甚至是超級(jí)計(jì)算機(jī)都有著巨大差別。普通計(jì)算機(jī)每一比特（byte）僅能存儲(chǔ)兩種可能狀態(tài)：非0即1。但量子計(jì)算機(jī)不同。由于量子疊加，每個(gè)量子比特理論上可同時(shí)存儲(chǔ)0或1這兩種狀態(tài)，這使得量子比特?fù)碛斜缺忍馗蟮男畔⒋鎯?chǔ)能力。比如，由于2的8次方等于256，故具有8比特的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)能表示0到255之間的任一個(gè)數(shù)字。但具有8量子比特的量子計(jì)算機(jī)可同時(shí)表示0到255之間的每個(gè)數(shù)字。

量子計(jì)算機(jī)正是通過(guò)量子疊加實(shí)現(xiàn)同時(shí)存儲(chǔ)大量信息的功能。因此，它們可以在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)，快速存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，探索多種可能并選擇最有效的解決途徑。

量子計(jì)算機(jī)搭建面臨巨大挑戰(zhàn)

量子比特的概念雖然抽象，但量子計(jì)算機(jī)并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好，但是要實(shí)現(xiàn)它們，還要面臨一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

量子比特本質(zhì)上是處于疊加態(tài)的亞原子粒子，如電子、被束縛的離子或光子。量子比特周?chē)h(huán)境的細(xì)微變化，比如振動(dòng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、宇宙輻射等，都可能向量子比特輸入能量，進(jìn)而使疊加態(tài)坍縮，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在極冷、真空環(huán)境中以最大程度地避免任何干擾。這就是量子計(jì)算機(jī)的搭建面臨的巨大挑戰(zhàn)。

正是由于保持量子比特的疊加態(tài)是件非常困難的事，最微小的環(huán)境變化也可能導(dǎo)致疊加態(tài)的坍縮，造成計(jì)算錯(cuò)誤。所以，目前世界上還沒(méi)能造出一臺(tái)沒(méi)有誤差、且用途廣泛的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)的巨大潛力，還與量子力學(xué)中的另一個(gè)著名概念“量子糾纏”有關(guān)，即各個(gè)量子比特可通過(guò)量子糾纏聯(lián)系在一起。

簡(jiǎn)單而言，當(dāng)兩個(gè)量子粒子糾纏在一起時(shí)，它們的量子態(tài)相同。改變?nèi)魏我粋€(gè)粒子的量子態(tài)的任何屬性都將瞬間改變另一個(gè)粒子的狀態(tài)，即便二者相隔千山萬(wàn)水。愛(ài)因斯坦將這種無(wú)處逃脫的聯(lián)系稱為“幽靈般的超距作用”。

互相糾纏的量子比特不僅能加密即時(shí)信息傳遞，還可讓量子計(jì)算機(jī)的性能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。比如，具有8量子比特的量子計(jì)算機(jī)可同時(shí)表示0到255之間的每個(gè)數(shù)字，這只是8量子比特獨(dú)立存在的情況。如果它們互相糾纏起來(lái)，或者和其他量子比特糾纏……整個(gè)糾纏的系統(tǒng)所能表示的數(shù)字將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。

而這正是量子計(jì)算機(jī)無(wú)比誘人的魅力所在。盡管量子計(jì)算機(jī)仍處于起步階段，但一旦能夠大規(guī)模應(yīng)用，其必將掀起一場(chǎng)顛覆性的革命。（記者 吳長(zhǎng)鋒）