『微凉雨落』人类科技的极限——量子计算机在人类历史的进程中

在人类历史的进程中，人类技术的发展源于我们对大脑，火以及尖锐物体的探究。当火和尖锐物逐渐演变成为发电站和核武器时，脑研究引发了科学技术（计算机技术）的革命。从1960年（20世纪60年代）开始，电脑的计算能力一直呈指数级增长。电脑正变得越来越小，同时计算能力变得越来越强，但这个过程即将到达它的物理极限。

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电脑中基础电子元件的尺寸正在逼近一个原子的大小，在了解这个现状引发的问题之前，我们需要弄清楚一些电脑的基本知识。简而言之，电脑是由非常简单的零件组成的，做着很简单的事情，显示数据，处理数据，对计算机进行控制等。计算机芯片有不同的模块构成，这些模块由逻辑门电路构成，而逻辑门电路则由晶体管构成，晶体管是计算机进行数据处理的最小单元。晶体管其实是个开关，可以关闭和开启，从而控制信息传输。

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计算机中的信息是比特（位）构成的，可以设置成0或1的二进制数形容来表达。计算机通过一些比特（位）的组合来储存和表达复杂的信息，晶体管可以组合起来构成逻辑门电路，逻辑门电路的工作也非常简单，例如，如果所有的收入都是1 ，那与门会输出1 ，否则会输出0 。逻辑门电路可以组成计算机模块，对数据进行有意义的处理。比如把两个数字相加，一旦你可以做加法，那当然也可以做乘法，一旦你能做乘法，你基本上可以做任何事儿了，实际上其中的基础运算要比一年级数学还简单，你可以把计算机想象成一组七岁的小孩儿，在计算最简单的基础数学题。足够多的计算机串联起来就可以计算任何问题了，从天体物理学到塞尔达传说（游戏名）。

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然而，随着电子元件越来越小，量子物理学使事情非常棘手，简单的说晶体管是一个电子开关，电流就是从一个地方运动到另一个地方的电子，所以晶体管可以阻断单向流动的电流，如今，一个典型的晶体管仅有14纳米，这比一个HIV（艾滋病）病毒还要小8倍，比一个红细胞还要小500倍，当晶体管缩小到只有几个原子那么大的时候，电子可能会通过本应被阻隔的通道，这个过程称为量子隧道。在量子领域，物理现象和我们平常截然不同。那么这种传统的电脑就不再有进步的可能了，我们的技术进步正接近一个物理屏障，为了解决这个问题，科学家正试图通过建造量子计算机来使用这些神奇的量子特性。在普通电脑里，比特是信息的最小单位，而量子计算机的最小单位是量子比特（量子位），它也可以设置为两个值，量子比特（量子位）可以是任意的两能级量子系统。

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可以旋转产生磁场，也可以形成单光子。 0和1是系统可能存在的状态，它们就像光子的水平态和垂直偏振态一样，在量子世界中，量子比特不一定只处于一种固定的状态，它可以是任何两种状态，这就是所谓的量子叠加态。但是一旦你要对它进行确切的测量，比如我们让光子通过滤光器，那么它就必须要确定一个状态，到底是水平态还是垂直偏振态。因此当量子比特的状态没有被观测到的时候量子比特就可能处在一种0和1的叠加状态，并且你没法预测它到底是0还是1的状态。但是你一旦对它进行观测，叠加状态就会坍塌缩成其中一种特定的状态。量子叠加态就是游戏规则的改变者，传统比特可以在同一时刻，在四种不同立体基阵下各拥有两种状态。有16种可能的组合，但你只能使用其中一个，而量子比特处于叠加态时，就可以同时处在16种组合之中，每多出一个额外的量子比特，这个数就呈指数式增长。 20个量子比特就能存储相当于如今一百万比特的存储容量，彼此间的纠缠是量子比特拥有快速反应和能力的同时保持不确定性。也就是说每个量子比特都可以极快地从一个状态切换到另一个，无论它们相隔有多远。这意味着当测量一个被纠缠的量子比特时，你可以直接调用它的同伴的属性，而不必专门去查看。操纵量子比特的想法也是别出心裁，一个标准的逻辑门工作原理是接收一组简单的输入，产生某个确切的输出，一个量子门要输入旋转叠加态的概率，并产生新的叠加态作为输出。