“脆弱”的量子比特,如何成为量子计算“主心骨”

来源:科技日报  编辑:许燕梅  发布时间:2021年11月25日10:29  

近来,有关量子计算的新闻不断刷屏。量子计算机的突破,为我们描绘着更快、更强的未来计算场景。然而,对于大多数人来讲,量子计算机依然是“不明觉厉”的存在。

我们可能会发现,表述量子计算机能力水平的一个重要参数是它的量子比特数。无论是我国66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”,还是近日IBM公司宣布制造出的127个量子比特的量子计算机,量子比特都是一个绕不开的概念。那么,究竟什么是量子比特?它为什么在量子计算中“举足轻重”?提高量子比特数的难点又在哪?

“既死又活”的薛定谔猫

量子比特是量子计算机的基本信息单元。与常规计算机使用的非0即1的二进制码不同,量子比特可同时以0和1的状态存在。这种不确定性来源于物理学中的量子叠加:一个量子系统能同时存在于多个分离的量子态中。

想要进一步理解量子叠加,就不得不提及著名量子物理学家薛定谔的那只“既死又活”的猫。

薛定谔的猫其实是一个思想实验。它假定一只猫被关在一个密闭房间内,房间里有一瓶装着剧毒气体的玻璃瓶,瓶上方有一个装有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率发生衰变。盒里还有一个机关侦测放射性原子是否发生衰变。若发生了衰变,机关将控制一个锤子砸碎玻璃瓶,释放出毒气,从而使猫死亡。

但有一个问题出现了:假定关猫的盒子不透明且隔音,不打开盒子的话便无法知道猫的死活。如果问猫是死是活,怎么回答?不打开盒子的话只能推断猫可能是死的,也可能是活的。

因此,现在盒子里关着一只“既死且活”的猫。虽然我们在实际生活中并不会遇到这样的“幽灵猫”,但量子比特却存在相似的情况。量子比特可以同时具有两个或两个以上的多重状态(叠加态),这种现象就是量子叠加。

打破叠加态的方法是测量。例如,我们打开盒子后便知道了猫的生死。因为我们得到了确定的结果(非死即活),叠加态便不复存在,物理描述为叠加态坍缩到某一个量子态。这个打开盒子的过程就是测量。

量子计算机的计算过程便涉及通过测量量子比特,使其量子态坍缩为0或1。这就使得量子计算机与我们日常生活中接触的计算机甚至是超级计算机都有着巨大差别。普通计算机每一比特(byte)仅能存储两种可能状态:非0即1。但量子计算机不同。由于量子叠加,每个量子比特理论上可同时存储0或1这两种状态,这使得量子比特拥有比比特更大的信息存储能力。比如,由于2的8次方等于256,故具有8比特的二进制计算机能表示0到255之间的任一个数字。但具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字。

量子计算机正是通过量子叠加实现同时存储大量信息的功能。因此,它们可以在处理复杂任务时,快速存储大量数据,探索多种可能并选择最有效的解决途径。

量子计算机搭建面临巨大挑战

量子比特的概念虽然抽象,但量子计算机并非虚幻。建造它们的理论基础已搭建好,但是要实现它们,还要面临一项艰巨的挑战。

量子比特本质上是处于叠加态的亚原子粒子,如电子、被束缚的离子或光子。量子比特周围环境的细微变化,比如振动、电场、磁场、宇宙辐射等,都可能向量子比特输入能量,进而使叠加态坍缩,使量子比特失效。因此,量子比特需要密封在极冷、真空环境中以最大程度地避免任何干扰。这就是量子计算机的搭建面临的巨大挑战。

正是由于保持量子比特的叠加态是件非常困难的事,最微小的环境变化也可能导致叠加态的坍缩,造成计算错误。所以,目前世界上还没能造出一台没有误差、且用途广泛的量子计算机。

量子计算机的巨大潜力,还与量子力学中的另一个著名概念“量子纠缠”有关,即各个量子比特可通过量子纠缠联系在一起。

简单而言,当两个量子粒子纠缠在一起时,它们的量子态相同。改变任何一个粒子的量子态的任何属性都将瞬间改变另一个粒子的状态,即便二者相隔千山万水。爱因斯坦将这种无处逃脱的联系称为“幽灵般的超距作用”。

互相纠缠的量子比特不仅能加密即时信息传递,还可让量子计算机的性能呈指数级增长。比如,具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字,这只是8量子比特独立存在的情况。如果它们互相纠缠起来,或者和其他量子比特纠缠……整个纠缠的系统所能表示的数字将远远超出人们的想象。

而这正是量子计算机无比诱人的魅力所在。尽管量子计算机仍处于起步阶段,但一旦能够大规模应用,其必将掀起一场颠覆性的革命。

(记者 吴长锋)

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