恐怖的算力：量子計算機，糾纏態(tài)下的超級速度

什么是量子糾纏呢？

請想象一下，我們把一雙鞋子放入兩個鞋盒子中，不過，我們不知道哪一個盒子中放的是右腳鞋，哪一個盒子中放的是左腳鞋。現(xiàn)在，把兩個鞋盒分開得足夠遠，你打開其中一個，如果看到的是右腳鞋，那么你就知道，另外一個鞋盒中必定是左腳鞋，反之亦然。

上面這段像是廢話？別著急，重點還沒來呢。

如果這雙鞋子不是普通的鞋子，而是一雙量子糾纏鞋，那情況就完全不同了。非常神奇的是，盒子在沒有被打開之前，里面的量子鞋竟然處在了左和右的疊加態(tài)中，既是左腳鞋，也是右腳鞋。你打開鞋盒之后，有可能看到左腳鞋，也有可能看到右腳鞋，這是不確定的。但只要其中一個鞋盒被打開了，另一個鞋盒中的鞋子也就等于確定了左或右，打不打開都確定了下來。

這就是神奇的量子糾纏現(xiàn)象。但要注意，宏觀物體是不存在疊加態(tài)的，上面說的“量子糾纏鞋”，實際指的是微觀世界的粒子。量子糾纏現(xiàn)象是量子疊加態(tài)的必然結(jié)果，雖然很神奇，但并不神秘。量子糾纏有著非常廣闊的應(yīng)用前景，比如，量子計算機。

量子計算機是科學(xué)家們正在研究中的未來計算機，它有一些特殊的本領(lǐng)是電子計算機望塵莫及的。比如說，用現(xiàn)在的電子計算機來計算某一個方程的解，可能需要好幾億年，但是，同樣的計算工作交給量子計算機，只需要 1 秒鐘就夠了。

我們先從最簡單的一個例子開始。

現(xiàn)在，我手里有一把鎖，它有兩個齒孔，一個朝上，一個朝下；這把鎖就需要一個和它匹配的鑰匙才能打開：

但是，現(xiàn)在的情況是，我不告訴你我這把鎖的兩個齒孔到底哪個朝上，哪個朝下，這樣一來，就一共有四種可能性了：

如果你是那個配鑰匙的工匠，你覺得要怎樣才能打開鎖呢？沒有其他好辦法，只能去湊，運氣不好的話，可能就要湊到最后一種鑰匙才能把鎖給打開了。

我們現(xiàn)在的電子計算機解方程的過程，就好像這個配鑰匙的工匠，它的工作原理就是一把鑰匙一把鑰匙地去湊，直到湊出來為止。如果齒孔的數(shù)量是 3 個，那就會有 8 種不同的可能性，齒孔是 4 個，就會有 16 種不同的可能性。這種可能性的增加速度是非?？斓?，只要當(dāng)齒孔的數(shù)量達到 40 個，就有超過 1 萬億種可能性了。

但如果是量子計算機呢？我們還是以這個只有兩個齒孔的鎖為例子，我們不知道要打開的鎖到底是四把鑰匙中的哪一把。

量子計算機配鑰匙的工具就用到了量子糾纏。我們可以制造 2 個糾纏的量子，每一個量子都有兩種自旋態(tài)，要么是上自旋，我用 1 表示，要么是下自旋，我用 0 表示。這樣一來，這兩個糾纏的量子就有四種可能性：11、10、01、00，你看，這不就相當(dāng)于對應(yīng)了這把鎖的四種可能性嗎？

糾纏的量子有一個最神奇的地方，就在于它們可以同時處于四種狀態(tài)中，這就好像2個糾纏量子，就是四種不同鑰匙的疊加態(tài)。這時候，你用這把特殊的量子鑰匙去開鎖，那么必然有其中的一種狀態(tài)能打開，這就好像你有了一把萬能鑰匙。如果齒孔的數(shù)量增加到 3 個，那么，量子計算機要做的就是設(shè)法制造出 3 個糾纏的量子，只要能讓3個量子糾纏起來，那就可以一次性成功打開這把鎖。

量子計算機運算速度的關(guān)鍵就是我們能將對少個量子給糾纏起來。現(xiàn)在的世界記錄是我國創(chuàng)造的，2023年10月份，中國科技大學(xué)的潘建偉院士團隊實現(xiàn)了 255 個光量子的糾纏。如果我們還用量子鑰匙的比喻的話，這就相當(dāng)于可以在一瞬間打開有255個齒孔的鎖。如果讓電子計算機來開這把鎖，那么就算等到大約50億年后太陽熄滅，鎖也是打不開的。

現(xiàn)在，我國的科學(xué)家們在量子計算機的研究上已經(jīng)取得了世界領(lǐng)先，他們還在不斷沖擊更多數(shù)量的量子糾纏。潘建偉教授說，我們現(xiàn)在制造出的量子計算機，在對特定問題上的運算能力，是全世界所有電子計算機算力總和的 100 萬倍。這是一個驚人的成就。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者： 科學(xué)聲音

審核：北交大物理實驗室高級工程師 周曉亮

出品：中國科協(xié)科普部

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