姚期智院士:神秘的量子计算跟经典计算到底有何不同

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撰文 | 姚期智 世界著名计算机学家,2000年图灵奖得主,中国科学院院士,美国科学院外籍院士,清华大学交叉信息研究院院长

量子计算已经出现在公众的视野中很久了。尤其是最近几年的发展,量子计算机似乎即将成为现实。但是量子力学对外行人来说是非常陌生的,甚至很多的计算机科学家,他们仍认为量子计算很神秘。他们也很难理解一些简单的问题,比如:量子计算到底跟经典计算有什么不同?它强大的计算能力从何而来?量子计算机的本质是怎么?它强大的计算能力从何而来?

在十九世纪,经典物理学认为,世界上的所有物质可以分成两种类型,一种是粒子,你可以把它想象成棒球或者网球,它很坚硬且有弹性,处在特定的位置上。另一种是波,比如我们看到湖中的水波,另外像我们看到的光,或者叫“光波”,也是波现象的一个例子。这就是经典物理学对物质的解释。

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当时的科学家对这套理论非常满意。他们认为这套理论可以解释自然界的一切。然而到了二十世纪,当时的科学家们突然发现,整个世界并不是我们肉眼所看到的那样。经典物理模型有可能是错误的。他们发现,如果去观测一个很小的物体,比如原子、电子或者光子它们同时具有粒子和波的特性。人们看到的到底是粒子还是波,取决于我们的观测方式。通俗的讲,就好比《Jekyll and Hyde》的故事。我不确定中国朋友是否熟悉这个故事。杰克是一个好人,海德是一个坏人。但大家都知道,他们实际上是同一个人的双重人格。

爱因斯坦在1905年发表了一篇著名的论文,他提出:光不仅仅只是波实际上,光在特定条件下表现得像粒子。所以到目前为止,物理学家根据量子理论认为,宇宙中所有的物质都具有这种双重属性。即每个物体都具有两面性。一面是粒子的特性,一面是波的特性。物理学家给它起了一个非常好听的名字,就叫做波粒二象性。它告诉我们,世界上所有物质的真实面貌,跟我们肉眼观察到的是不一样的。他们实际上既有粒子的性质,同时又有波的性质。在量子理论中,这是物质的基本性质之一这种性质非常有名。所以波粒二象性对量子计算来说是非常重要的。

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量子计算机Vs经典计算机

在1936年,Turing提出了图灵机这个概念,他也是计算机领域的伟大先驱者。在1936年之后的很多年,图灵及一些其他先驱者都认为,他们已经解决了计算理论的所有问题。他们觉得自己找到了一个非常完美的,或者说是唯一的计算模型。之后的很多年,大家都抱有同样的想法。但是自二十世纪六七十年代起,一些极具创新精神的科学家们开始思考计算的本质。他们重新审视计算这个概念,思考像计算过程中需要消耗多少能量等问题。之后沿着这个思路,一些科学家也在思考,利用量子理论进行计算的可能性。其中有一个科学家为此贡献良多,他就是Charles Bennett,他也是量子计算的先驱之一。

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