主题：【文摘】量子计算机专题 -- 不爱吱声

我们目前所使用的计算机，代表了近年来技术进步的顶点，而这个技术进步萌芽于Charles Babbage（1791-1871）的早期思想，并且以德国工程师Konrad Zuse于1941年创造出第一台计算机为开端。

　　但是令人惊奇的是，现在放在我们面前的高速现代化的计算机和它庞大的重达30吨的祖先并没有什么本质的区别，而那台庞大的机器是由18000个真空管和500米的电线构成的！尽管计算机已经变的更加小巧而且一般来说在执行任务时已经快的多，但是计算机的任务却并没有改变：把二进制位（0和1）的编码处理并解释为计算结果。每个位都是一个基本的信息单元，传统上在数字计算机中用0和1代表。每个位的物理实现是通过一个肉眼可见的物理系统完成的，例如硬盘的磁化或电容器中的电荷。例如，包含n个字符并储存在计算机硬盘上的文件是通过一串共8n个0和1描述实现的。在这里存在着传统计算机和量子计算机之间的一个关键的区别。传统计算机遵循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机则是遵循着独一无二的量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式。

　　在量子计算机中，基本信息单元（叫做一个量子位或者qubit，也叫做昆比特）不同于传统计算机，并不是二进制位而是按照性质四个一组组成的单元。qubit具有这种性质的直接原因是因为它遵循了量子动力学的规律，而量子动力学从本质上说完全不同于传统物理学。qubit不仅能在相应于传统计算机位的逻辑状态0和1稳定存在，而且也能在相应于这些传统位的混合或重叠状态存在。换句话说，qubit能作为单个的0或1存在，也可以同时既作为0也作为1，而且用数字系数代表了每种状态的可能性。这种现象看起来和人的直觉不符，因为在人类的日常生活中发生的现象遵循的是传统物理规律，而不是量子力学的规律，量子规律只统治原子级的世界。下面的图a可以帮助我们更好的理解这个不寻常的概念。图04（这张图放在这段文字的下面）

　　从某光源发射的光子沿某条路径射向一个一面涂有银的镜子。该镜子使光束分离，其中的一半垂直射向接收器A，另一半则射向接收器B。但是，一个光子作为光的最小单位并不能被分离，所以光子被接收器A或B检测到的机率相等。如果凭直觉我们可能认为光子离开镜子的方向是随机的，或者沿垂直方向，或者沿平行方向。但是，量子动力学告诉我们，光子实际上是沿平行和垂直两个方向同时传播的。下面的图b解释的更清楚。

　　在一个类似图a的试验中，光子被射向半面镀银的镜子，通过接收器显示出的信号（如果一个接收器有信号，那么其它就没有信号）证实了光子是不可分的。根据这个现象，人们可能认为光子的传播路径或者是垂直，或者是平行，并且随机的在两种路径之中选择一个。但是，量子动力学认为光子的传播实际上是同时沿两个方向进行的，而不是像试验a中所示选择其中一种。这种现象，被叫做单粒子干涉，对这种现象在如图b所示的试验中有更好的阐述。图05（这张图放在这段文字的下面）

　　在这个试验中，光子首先撞击一个半面镀银的镜子，然后是一个全镀银的镜子，在最终到达接收器之前是另一个半面镀银的镜子，而且是半面镀银的镜子引起了光子沿一条或另一条路径传播的可能性。一旦光子在第一次光柱分离之后沿两种路径之中的任何一条撞击镜子，那么这种现象就和图a中类似，所以人们就会推测光子将等机率的到达接收器A或B。但是，试验b结果显示这种现象实际上使得接收器A的接收率是100％，而接收器B则接收率为0％！那么这是怎么回事呢？

　　图b描述的这个有趣的试验证明了单粒子干涉现象。在这种情况下，试验显示出光子总是到达接收器A，而永远不会到达接收器B！如果一个单光子沿垂直方向传播并撞击镜子，通过和图a中的试验相类比，光子被接收器A和B接受的机率应该是相等的。对沿平行方向传播的光子来说也是同样的。但是，试验的结果却有如此巨大的反差。唯一可以得到的结论就是光子在沿两条路径同时传播，并在两条路径的交叉点产生干涉，因此破坏了光子到达接收器B的可能性。这就是已知的量子干涉，干涉的原因是可能的光子态或路径的重叠。所以，尽管只发射了一个光子，但是好像有另一个和它相同的光子存在，并且这个光子沿一条不存在的路径传播，只有当这个光子和原光子路径相交因此发生干涉时才能够被发现。例如，如果两条路径中的一条被一个吸收屏阻挡，那么接收器B才开始像在试验a中一样显示出信号。量子的这个独特的性质使得当前在量子计算机中的研究不仅是今日计算机思想的延续，而且也是这个思想的一个全新分支。是量子计算机利用这些特殊的性质赋予了计算设备潜在的难以置信的威力。

　　但是，令人惊奇的是，量子计算机的外观并不同于我们现在所使用的计算机，它看起来可能更象放在计算机旁边的咖啡杯。