量子計(jì)算機(jī)：人類技術(shù)的極限在哪？

從我們的歷史來(lái)看，人類的科技大都建立在腦、火與尖銳的棒子上。當(dāng)火和尖銳棒狀物變成發(fā)電廠和核武器時(shí)，腦的大進(jìn)化已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生。自從1960年代來(lái)，電腦的運(yùn)算能力呈獻(xiàn)指數(shù)性的成長(zhǎng)，使得電腦愈來(lái)愈小，同時(shí)愈來(lái)愈強(qiáng)大。

但是計(jì)算技術(shù)演化已經(jīng)快碰到了物理上的極限，電腦元件尺寸正在趨近于原子的大小。為了說(shuō)明這為什么是個(gè)問(wèn)題，我們必須要先講解一些基本知識(shí)。

電腦是由執(zhí)行簡(jiǎn)單功能的簡(jiǎn)單元件所組合而成，以呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，意思就是運(yùn)算并控制機(jī)械。

計(jì)算機(jī)芯片包含模組，模組包含邏輯門，邏輯門包含晶體管。晶體管代表著電腦的處理器里一個(gè)最簡(jiǎn)單的型態(tài)，簡(jiǎn)單說(shuō)是個(gè)可以阻擋、通過(guò)信息的開(kāi)關(guān)。而此信息是由比特構(gòu)成，它可以設(shè)為0或者1，多個(gè)比特的組合通常代表著更復(fù)雜的信息。

將晶體管組合后會(huì)變成邏輯門，它還是只有簡(jiǎn)單的功能，例如，一個(gè)AND門只有在輸入值皆為1時(shí)才會(huì)輸出1，否則就會(huì)輸出0。最終組合不同的邏輯門形成了有意義的模組，比方說(shuō)加法的功能模組。

一旦你能夠使用加法，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。自從所有基本運(yùn)算都比一年級(jí)的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單，你可將電腦想像為一群在回答基礎(chǔ)數(shù)學(xué)題的7歲小孩。足夠數(shù)量的小孩可以計(jì)算所有的東西，不論是天文物理或薩爾達(dá)傳說(shuō)。

然而，隨著元件愈變愈小，量子力學(xué)讓事情變得很詭異。

簡(jiǎn)而言之，一個(gè)晶體管只是一個(gè)電流開(kāi)關(guān)。電流表示電子由一端流向另一端，所以開(kāi)關(guān)就是可決定是否讓電子流過(guò)的單向通道。現(xiàn)今的晶體管尺寸大約是14納米，是艾滋病病毒直徑的1/8，并且是是紅血球的1/500。

當(dāng)晶體管小到僅幾個(gè)原子大的尺寸時(shí)，電子會(huì)無(wú)視阻擋將自己傳送到另一端，這現(xiàn)象稱作量子隧穿效應(yīng)。

在量子世界里，物理運(yùn)作方式和我們平常看到的不太一樣，而傳統(tǒng)的電腦就開(kāi)始沒(méi)邏輯了。我們的科技正一步步接近物理的極限，為了解決這問(wèn)題，科學(xué)家嘗試?yán)昧孔游锢聿粚こ５奶匦灾械膬?yōu)點(diǎn)，方法就是建造量子計(jì)算機(jī)。在一般電腦中，比特代表著信息的最小單位。

量子計(jì)算機(jī)使用的是量子比特，它同樣可以設(shè)成0和1。一個(gè)量子比特可以是任何二階的量子系統(tǒng)，像是自旋和磁場(chǎng)，或是單一的光子，0和1是系統(tǒng)中可能存在的狀態(tài)，就像是光子橫向或縱向的偏振。

在量子世界里，量子比特不一定是0和1這兩種狀態(tài)之一，它可以在他們間同時(shí)表現(xiàn)出所有的偏振狀態(tài)，這被稱作為量子疊加。

但當(dāng)你想把一個(gè)光子送到濾波器做測(cè)試時(shí)，它必須決定自己是縱向或橫向偏振，所以當(dāng)它被觀測(cè)之前，量子比特就代表著0和1之間所有可能的疊加狀態(tài)，你無(wú)法預(yù)期是哪個(gè)狀態(tài)。但當(dāng)你測(cè)量它的瞬間，它將會(huì)塌陷為一個(gè)固定的狀態(tài)，量子疊加狀態(tài)改變了游戲的規(guī)則。

四個(gè)傳統(tǒng)比特中，每個(gè)比特各自表示兩種狀態(tài)中的一種，這共包含了16種不同的組合，但只能使用其的一組。四個(gè)量子比特則可以同時(shí)代表著16種狀態(tài)，每增加額外的量子比特，組合數(shù)將會(huì)是指數(shù)性的成長(zhǎng)，20個(gè)量子比特就可以平行儲(chǔ)存100萬(wàn)個(gè)數(shù)值。

量子比特還有一個(gè)詭異并不確定性的特性，那就是量子糾纏。

它使另一組糾纏狀態(tài)的量子比特呈現(xiàn)與自己相反的狀態(tài)，就算他們之間被分開(kāi)多遠(yuǎn)都一樣。這意味著只要測(cè)量其中一個(gè)糾纏態(tài)的量子比特，利用這特性就能不用觀測(cè)而得知另一組結(jié)果。

操控量子比特就像是腦筋急轉(zhuǎn)彎，一個(gè)普通的邏輯門有著單純的輸入，并產(chǎn)生一個(gè)固定的輸出。量子門輸入一個(gè)疊加，旋轉(zhuǎn)它改變機(jī)率，輸出另一個(gè)疊加。所以一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)操作部分的量子門產(chǎn)生糾纏，并控制機(jī)率，最后測(cè)量輸出，讓疊加狀態(tài)崩潰后得出最后結(jié)果的0和1。

這意味著你可以將這么多種可能性同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算，最終你只會(huì)測(cè)量到一個(gè)結(jié)果，而這結(jié)果只是有很高的機(jī)率可能就是你要的。所以你可能要多計(jì)算幾次以檢查結(jié)果。

但巧妙地運(yùn)用疊加和量子糾纏，效率相比一般電腦將會(huì)是指數(shù)性的成長(zhǎng)，所以量子計(jì)算機(jī)雖然無(wú)法取代現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，但在某些領(lǐng)域它們是非常優(yōu)越的，其中之一就是數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋。

一般電腦再數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋可能要搜尋每一份資料，量子算法只需要原來(lái)運(yùn)算時(shí)間開(kāi)根號(hào)的時(shí)間，這在大型數(shù)據(jù)庫(kù)上會(huì)有著極大的差距。

量子計(jì)算機(jī)中最著名的用法就是破解信息安全機(jī)制，現(xiàn)在你瀏覽的銀行郵件還是被加密系統(tǒng)給保護(hù)著，借由你給其它使用者不同組的公鑰，來(lái)加密只有你能解密的訊息。問(wèn)題是拿到公鑰的人可以計(jì)算出你的密鑰。

幸運(yùn)的是，使用一般的電腦必須花上數(shù)年運(yùn)算，不斷地嘗試錯(cuò)誤才有辦法解開(kāi)。但對(duì)于量子計(jì)算機(jī)，由于運(yùn)算速率是呈指數(shù)的增加，這可能只是小菜一碟。

另一個(gè)著名的用法就是當(dāng)作模擬器。模擬量子世界非常地消耗資源，甚至是一些巨大的結(jié)構(gòu)體，例如分子結(jié)構(gòu)。它們通常缺乏精準(zhǔn)度，所以為何不用真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子物理環(huán)境呢?模擬量子環(huán)境可能讓我們更了解蛋白質(zhì)的組成，這將給我們的醫(yī)學(xué)帶來(lái)革新。

目前我們并不清楚量子計(jì)算機(jī)會(huì)個(gè)是專門用途的工具，還是為人類帶來(lái)重大革新。我們還不清楚科技的極限在哪里，但只有一種方法可以找出答案。