量子计算何以修炼成计算界的“灌篮高手” ?| 十万个量子为什么(五)

教育   2024-11-05 10:02   上海  
在量子力学的世界中,物理现象和日常生活的经验很不相同,这些神奇特性曾在历史上长期困扰着一众物理学家,甚至引起过爱因斯坦和玻尔的“世纪大讨论”。这些反直觉的现象一般只在微观尺度出现,我们现在形象地把它们放大,放到日常生活的尺寸,来看看它们有多么不可思议。

爱因斯坦和玻尔的“世纪大讨论”

假设现在我们手中有一个篮球,面前有左右两个篮子,日常生活中,我们要么将球放在左边篮子里,要么放在右边篮子里。但在量子力学的世界里,我们可以既将球放在左边又将球放在右边,球是可以同时存在于两个篮子之中的:如果说球在左边篮子里是一个量子态,球在右边篮子里是另一个量子态,那么这两种量子态可以同时叠加地存在。

那么,如果我们去篮子里摸篮球,会在哪个篮子里摸到呢?答案是我们会概率性地摸到篮球。如果我们往左边篮子伸手,就会有一半的概率摸到篮球,还有一半的概率摸不到球。并且在左边篮子摸到球以后,右边篮子里就不会再有球了。这其实就是量子力学中测量导致量子态塌缩的概念,本来篮球以一半一半的概率存在于两个篮子里,我们一伸手测量,篮球就只能在某一个篮子里了。当然,球在篮子里的概率可以不是一半一半的,我们可以调整我们放篮球的手法,或者调整左右两个篮子的大小,从而调整球在左右两个篮子里的概率。


前面所讲的都只是一个篮球的故事,那如果有两个东西放在篮子里呢?比如现在把篮球换成一双手套,并且通过某种特殊手法(算符)使得两个手套都不能在同一个篮子里。本来右手手套和左手手套都以一半一半的概率存在于两个篮子里,现在我们伸手在一个篮子中摸到了右手手套,那么左手手套的位置也就确定了。这时左右手两个手套“纠缠“在一起,确定其中一个的量子态就可以知道另一个的量子态了。


分析一个篮球、一双手套,看上去都非常简单。让我们把篮球再增加一些,加到50个,对它进行分析可就没那么容易了。这是为什么呢?让我们简单估计下,如果是2个篮球就会有4个可以同时存在的量子态,3个球就有8个态,那 50个球就有2^50个叠加量子态,直接指数“爆炸”。


不仅如此,这么多量子态是一个整体,相互叠加又相互纠缠,牵一发而动全身,必须一起分析。现在超级计算机的内存都不够存储这些量子态,更别提对它们的整体行为做一些分析模拟了。而量子计算机却可以解决现在最强的超级计算机都算不出来的问题,同时保持这些篮球的特殊性质,即叠加和纠缠的性质。这是由于量子计算机自身的底层原理决定的。


特别鸣谢:河南省量子信息与量子密码重点实验室副教授 黄合良


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