《走进量子计算机》（1/2）

——转载大科技杂志

在许多科幻故事中，量子计算机都曾经出现过，它们运算速度极快，只需要几十秒就可以解开电子计算机需要花数千年才能破解的密码，甚至，一个手提箱大小的量子计算机就具备模拟宇宙演化的能力。

科幻故事中的描述固然有些夸张，但量子计算机的确是与传统电子计算机完全不同的机器。在我们习惯的宏观世界里，电子计算机的处理器是用硅制造的。人们在硅的表面刻出晶体管，构建出逻辑门，来允许或者阻止电流通过，产生一个二进制的信息单元——比特。在电子计算机中，比特的状态是确定的，要么是“0”，要么是“1”，由比特组成的每一个存储位都存储着一个确定的值，比如一个两位的比特，必定存储着“00”、“01”、“10”、“11”中的一个值。

量子计算机并不是这样工作的，它以电子、离子、原子、光子等微观粒子来构建计算机的信息单元——量子比特，处理信息的理论基础源自量子力学。量子力学是一种微观世界的物理学，虽然已经建立了近百年，相当成熟，但违背直觉，超出了人们的日常生活经验。比如，量子力学中的三大基本理论——态叠加原理、退相干和量子纠缠，就显得非常诡异。

在量子世界中，粒子不仅是粒子，也是波，这就是所谓的“波粒二象性”。粒子的波动性由波函数来体现，波函数异常复杂，同时描述着粒子所有可能呈现的状态。所以，在人们测量一个粒子之前，粒子的状态是无法确定的，将会同时处于所有可能状态的叠加态上，这就是态叠加原理。

而且，量子世界中不存在安静的观察者，任何试图读取粒子量子信息的测量行为都会从根本上改变被测粒子的状态，使原本处于叠加态的粒子，瞬间塌缩到某一特定的可能状态上。这就好比人们不知道天上有没有月亮，没人看月亮时，月亮处于“有”和“没有”的叠加态，只以一定的概率挂在天上，而有人看了天上一眼后，月亮本身不确定的叠加态就改变了，塌缩为要么“有”，要么“没有”。所以，退相干也被叫做波函数塌缩效应。

另外，在量子世界中，相互作用的粒子之间存在着一种不受距离限制的、用任何经典规律都无法解释的关联。这种关联携带着信息，使得发生纠缠的各个粒子处于一种不可分割的整体状态，改变任何一个粒子的状态都会瞬间影响到另外一个粒子。

上述三种奇怪的理论与量子计算密切相关，它们决定了量子计算机的奇妙性能。