为什么量子计算成为新的方向

发布时间：2023-03-21 12:49:32 所属栏目：动态来源：

导读：人类怎样在认识世界的过程当中，找到了越来越好的物理系统，获得了越来越高的算力？

从最开始的人类发明的算盘开始，我们拥有了计算的工具，提升记账和算账的效率。它仍然存在着巨大的缺陷。

拿今天的计算机来

人类怎样在认识世界的过程当中，找到了越来越好的物理系统，获得了越来越高的算力？

从最开始的人类发明的算盘开始，我们拥有了计算的工具，提升记账和算账的效率。它仍然存在着巨大的缺陷。

拿今天的计算机来说，为什么一堆晶体管就能够做运算？这是因为二进制的特殊性，它既是逻辑上的真假，又是开关的两种状态，还是数学上的0、1。

数学上的运算由于只有0和1两个数，它的运算空间是封闭的，那么它的运算就可以分解成为或简单或复杂的逻辑关系。比如带进位的加法能够分解成“与”和“异或”的逻辑关系。

而不管什么样的逻辑关系，都可以用或简单或复杂的开关网络实现。于是我们可以用一种开关网络来实现异与，用另外一种开关网络来实现异或，把这两个开关网络往那儿一放，就能去做计算了。

区别在于，当年的机械系统不是一般的计算系统，它的均匀性、一致性、机械运转的速度、寿命都远不如现在的电子或者电器的部件，所以机械系统过时了，它不可能超过电的计算机。

关于电的计算机，原理也非常简单，就是把开关越做越好，把越来越多的开关拼到一起。因为越来越复杂的开关网络才能表示越来越复杂的逻辑关系，才能展现出越来越复杂的计算。我们现在所说的10纳米、7纳米、5纳米的晶体管，一个CPU上的晶体管的数量越来越多，计算能力就越强。

在半导体之前，我们能找到的最好的东西就是继电器开关，它是一种机电开关。电学系统比机械系统要高级，继电器是人类第一次用电流控制电，但不是用电直接控制电的，中间有一个瓶颈是先用电去控制机械系统，机械系统再来控制电的系统。

计算是一个物理系统状态的演化，物理系统的性质决定了它的计算能力。最早人们是用简单机械到复杂系统，但机械系统的计算能力也很快就到头了。接下来我们进入了机电时代，再后来进入半导体晶体管集成电路时代。

什么叫半导体？它的导电性不如导体，但比绝缘体好，可以控制它的导电或者不导电。我们做的晶体管有一个绝缘层，上边有一个电极叫栅极，这个电极像是一个魔术，我们在半导体上只要加一个很小的电压，它就会把半导体里其他导电的，比如说电子，全都吸引过来，在那里形成了一座桥，形成了这座桥之后，里面的电子就会在高压、低压的驱动下过来。当一边的电子一停，不再导电了，另一边的电子就散开了。

后来Robert Noyce发明了一种集成电路，不再像Jack Kilby那样用半导体做出不同的器件再焊到一起，他使用的办法跟今天做集成电路的方法一模一样，采用平面化的工艺，用光刻、刻蚀等技术，使得晶体管在底层，上层有绝缘层，再用导线把它们连接起。

接下来的几十年，人们就是用登纳德的这个等比例缩小的策略实现了摩尔定律，让器件越做越小，越做越快。

接下来我们要把这些开关，越来越多地集成到一起，这就是计算技术的另一个演化。从最初分立式的晶体管，再到后面的平面化阶段，把它们做成集成电路。接下来我称之为系统化，集成电路里面要有越来越丰富的功能了。智能制造的最终实际上是产品的智能化，也就是人工智能走到一步步的今天，人工智能芯片，工业机器人的集成度不断提高。

如果跳出来看，人类是不是有可能尝试着去找一找更好的其他的物理系统，是不是有比今天的电子系统提供更高速运算的新选项存在？对于今天来说，量子计算机系统已经在实际物理上和数学上都已经被无数次的证明了量子具有甚至要超过绝大多数电子系统的计算能力。

量子力学是认识世界建立起来的一种理论，也是一种新的世界观。下一个时代，是人类如何用量子力学去改造这个世界。

量子力学其实在电子计算时代是一个隐学，它藏在底下，是半导体物理学的基础，如果没有量子力学，我们就弄不懂半导体物理学。

量子力学中，量子是叠加的。在经典物理里，事物都有确定的状态。一个物体在一个位置，那么这个物体就不会同时处于另一个点。但在量子力学里，物体可以同时处在两个不同的点。这种状态就叫做量子叠加态。

但是由于我是一个宏观的物体，在非常非常短的时间内，我构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个粒子态，所以你在这个地方看到我。

这其实就是量子坍塌，我一下就坍缩到这个地方，所用的时间大概是在10的-40次方秒这个量级，远超人类的观测能力了，在日常我们看不到宏观物体的叠加态。

目前我们建立起了这样一个量子理论的模型。对于计算机而言，一个经典比特（字节）只有0和1两个状态，它只能处在这两个点中的一个。但是对于一个量子比特来说，它可以在所有的地方运动，来代表信息，因为它是一个叠加态。在量子计算机中，每个量子比特都有自己的位置，这就意味着它们可以同时处在不同的状态中。

我们在工作里要做到的就是尽可能多测量，测量就是多去观察、多去分析，而波函数的坍缩就意味着我们要理解这件事的概率，以及在不同的概率之下做好应对。

当然物理学还有很多很多有意思的东西，我觉得可能今天物理对我来说已经不再是这些公式了，而是一些思考的方法，也希望文理学院的同学们也能够从物理的角度产生新的启发。

（编辑：汽车网）

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