今年也到了諾貝爾獎發獎的季節。以10月4号的“生理學·醫學獎”為開端，連續幾天發表“物理獎”（5号）、“化學獎”（6号）。

與此同時，第二屆是“物理學獎”的領域。由于科學家們長期的努力和探究心，有很多期待獲得諾貝爾獎的研究。從中可以看出，它遠遠超過了以往計算機的計算能力，為實現這一目标而進行研究的“量子計算機”的難解世界。

量子計算機的研究可以追溯到1980年代。當時，以量子計算機研究為中心的學者之一是理查德·費曼。他是對量子力學發展做出巨大貢獻的美國出身的物理學家，費曼認為，為了進行物理的正确模拟，使用量子力學原理的計算機是必要的，因此提出了量子計算機的理論模型。隻是當初，對量子計算機表示興趣的研究者是極少數。後面會說明，實際上制作量子計算機需要高超的技術能力。

量子計算機尤其受到關注是在1994年。美國數學家彼得·肖爾發現“如果使用量子計算機用特定的算法進行運算，就能高效率地進行質因數分解”。質因數分解是“21＝3×7”這樣把大的數字表示為素數的乘積。“21＝3×7”的質因數分解很簡單，但是“9420013＝2683×3511”等，數量越大，越難解答。如果是600位左右的數字的話，我們現在使用的電腦（以後稱為“古典計算機”）是無論如何也解答不了的。超級計算機也是不可能的（更确切地說，雖然花了非常長的時間就能解開，但是那個時候地球大概已經滅亡了吧）。

另一方面，如果兩個素數相乘的話，即使是600位以上，古典計算機也能瞬間處理。另外，如果知道兩個素數中的某一個的話，那麼通過計算，也可以瞬間查明另一個素數。兩個素數的相乘很簡單，但是從乘法的回答中卻找不到原來的素數。這種性質可以應用于二者之間交換信息時的堅固的密碼制作技術，現在也廣泛用于網絡通信。我們能夠安心地在網上購物，也是因為使用質因數分解的密碼不會被任何人破壞。

因此，如果真的能用量子計算機進行質因數分解的話，網絡的安全性就會從根本上動搖，社會就會大混亂。因此，肖爾的發現吸引了許多研究人員的興趣，量子計算機的研究也一下子加速了。幸運的是，更安全的量子網絡和量子密碼等的研究也在進行。

正如肖爾的算法所代表的那樣，量子計算機隐藏着能很快解開古典計算機不擅長的計算的潛力。這就是“用超級計算機計算的話，需要○○年，但是，用量子計算機計算的話分分鐘就能搞定！”。那麼，為什麼量子計算機能計算得那麼快呢。先說答案的話，“量子計算機是用與古典計算機完全不同的計算順序來解決問題的，也就是說，量子計算機和古典計算機的動作原理和運算完全不同，是一種“新型”的計算機。

那麼，量子計算機到底是什麼呢。一言以蔽之，那就是“利用微觀世界的物理現象的計算機”。古典計算機将數據寫入數十納米（十萬分之幾毫米）的精細加工半導體中進行計算，量子計算機将數據寫入更小的物質，例如原子、電子、光子等中進行計算。因為需要非常細緻的技術，所以在費曼生活的時代，量子計算機的研究沒有受到關注也是可以理解的。我們以“離子陷阱型量子計算機”的情況為例，來說明一下使用什麼樣的技術完成了這樣的事情。

“離子陷阱型量子計算機”是将數據寫入“離子”中進行計算的量子計算機。所謂離子，在這裡指的是帶有電的冷卻原子，但如果認為主要是小而不能轉動的電粒子就OK了。因為離子帶有電，所以從周圍受到靜電的影響。例如帶正電的離子會排斥正電荷，會被負電荷吸引。那麼，如果從四面八方交替給予包圍某一個離子的正/負電場，會發生什麼呢？那個離子從周圍交替接受「引力」和「斥力」，不過，這個時候條件一緻的話完全進退維谷。這是一種封閉離子的技術“離子陷阱”。

如果應用離子陷阱的話，可以在多個棒狀電極包圍的筒狀空間内，将多個離子排列成一列來封閉。實際上，像這樣排列的離子列是“離子陷阱型量子計算機”。2012年，這種離子陷阱型量子計算機的開發成為諾貝爾物理學獎的獲獎對象。

首先，我們隻關注其中一粒離子。作為離子所具有的量子性質，如果被規定波長的光照射，則會吸收該光。而且，我們通過觀察離子的行為，可以區分該離子是吸收光之前的狀态還是吸收後的狀态。如果将各個離子的狀态稱為“0”“1”，則可以将離子狀态的排列方法作為二進制數據來處理。

但是，如果我們沒有觀測到離子的話，那離子的狀态是“0”還是“1”就不一定了。那麼，到底是怎麼回事呢，實際上是“0和1（以某個重量）重疊的狀态”這種特殊的狀态。能取得這樣的狀态是量子計算機的一大特征，和古典計算機有着決定性的不同。像這種離子一樣，可以取“0和1的某個重量重疊的狀态”的叫做“量子比特”。

古典計算機用“0”“1”這兩種數字來表現一切，所以要反複進行轉換“0”“1”的運算操作來尋求答案。另一方面，因為量子位在“0和1的重量重疊的狀态”的狀态下進行運算，所以有必要用與古典計算機完全不同的邏輯體系進行運算。換言之，可以用與我們至今為止使用的（四則運算）運算完全不同的想法來解決問題。這就是“量子計算機用與古典計算機完全不同的計算程序來解決問題”的原形，可以說其起源在于量子比特的性質。

利用量子的“糾纏”一次性進行大量運算處理

量子比特的運算需要利用量子所具有的另一個特性“量子糾纏”。量子糾纏是指在兩個量子比特之間有特殊相互作用的情況下，這兩個量子比特一體，“0”“1”的狀态重疊的現象。例如，當兩個量子比特糾結在一起時，“00”“01”“10”“11”會以各自的概率相互重疊。

比如說，如果排列着很多離子的話，相鄰的離子都是帶着電的顆粒，所以受到相互排斥的力量。因此，彼此的離子就像用看不見的彈簧連接着一樣相互作用，這種振動會産生量子糾纏（這次以離子為例進行了說明，即使是沒有電荷的粒子，如果兩個粒子之間有某種相互作用的話也可以引起量子糾纏）。

如果應用量子糾纏，則可以在相互作用的情況下對各個量子比特進行運算處理。

例如，通過使多個量子比特糾結在一起，可以從“000…00”到“111…11”也可以保持之前狀态的疊加，一口氣計算。如果有20個量子比特的話，實際上可以一次進行250≈1000兆的運算。實際上為了從這種狀态中取出所希望的答案，還需要再下點功夫，如果順利的話，比起一個一個地計算多個條件的古典計算機，可以更快地處理。

期待量子計算機活躍的應用對象不限于質因數分解。古典計算機不擅長的組合問題、量子化學計算等等，如果有新的運算方法的話，也許就能解開。

雖然這麼說，但是具體活用這個特點，制作怎樣的算法才能進行有趣的計算，量子計算機主機能開發到什麼程度，還有很多不知道的事情。幾十年後，我期待着觀測量子計算機活躍的社會。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!