【什么是量子芯片】科普:什么是量子纠缠和量子计算?

2020-01-13 - 什么是量子

量子世界很神奇,比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”,曾被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾用《格林童话》中《两兄弟》故事打比方:“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎,长得分不清彼此;他们也心灵相通,即便天各一方,弟弟有难,哥哥即刻得知。

【什么是量子芯片】科普:什么是量子纠缠和量子计算?
【什么是量子芯片】科普:什么是量子纠缠和量子计算?

量子纠缠是一种违反经典物理常识的量子现象。量子力学预言说,可以制备一种两粒子共同的量子态,其中每个粒子状态之间的关联关系不能被经典理论所解释,称为量子关联,这样的态称为两粒子量子纠缠态。爱因斯坦的“相对论”指出:相互作用的传播速度是有限的,不大于光速。

【什么是量子芯片】科普:什么是量子纠缠和量子计算?
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可是,如果将处于纠缠态中的两个粒子分开很远,当我们完成对一个粒子的状态进行测量时,任何相互作用都来不及传递到另一个粒子上。按道理讲,另一个粒子因为没有受到扰动,这时状态不应该改变。

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但是这时另一个粒子的状态受到关联关系的制约,已经发生了变化。这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。它似乎违反了爱因斯坦的“定域因果论”,因此量子纠缠态的关联被称为非定域的量子关联。

【什么是量子芯片】科普:什么是量子纠缠和量子计算?

量子纠缠,指的就是两个或多个量子系统之间的非定域的量子关联。量子纠缠的非定域、非经典性已由大量的实验结果所证实。科学家认为,这是一种“神奇的力量”,可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。实际上,科学家们发现量子纠缠还有很多奇妙的应用,可以在许多领域中突破传统技术的极限。

魔法般的量子计算

量子纠缠还有一个更了不起、但也更遥远的应用领域:量子计算。传统计算机离它的理论极限似乎已经不远,其中既有物理学导致的硬件局限,也有算法方面的软件局限。

对一些运算量特别巨大的问题,传统计算机需要消耗的时间长到人类等待不起,甚至宇宙都等不起,目前看来量子计算机是唯一可能的出路,它会比传统计算机快亿万倍。传统计算机算法基础是0或1的状态,而量子计算机则可以实现“既是1又是0”,多个纠缠在一起的量子比特能同时实现指数级别递增的运算威力,轻易碾压传统并行计算。

当然,研究还处在非常基础的阶段,很多问题尚待解答:用什么制作量子比特?怎么让它们维持那脆弱而短暂、特别容易遭到干扰的量子态?怎么对它们进行编程?制造量子计算机是不是需要有别于传统计算机的全新思路?用传统计算机发展历史来比拟的话,量子计算大概处于还在研发真空管的时代,让我们等待吧……

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