附加章六：量子计算机

复习

　　一路走来，我们都在和“比特”打交道，而比特的世界非常干脆：一个比特，要么是 0，要么是 1。

　　量子计算机（quantum computer）想换一种玩法：让计算的基本单位，同时“沾着一点 0、又沾着一点 1”。

　　量子比特（qubit）可以处在 0 和 1 的叠加态——你可以先粗略地理解为“两种可能按一定权重同时存在”。

　　但要小心，这种“同时存在”和并行计算并不完全一样。多个经典比特并行，是把 2 份工作分给 2 个处理器；而 n 个量子比特的叠加，能同时表示 2ⁿ 种状态的组合。这种指数级的表示能力，正是量子计算令人兴奋的地方。

　　事情没那么简单。一旦你去测量一个量子比特，叠加态就会坍缩成某个确定的结果，你只看到 0 或 1，而且往往还是随机的。

　　这就麻烦了：如果我最后只能随机读出一个答案，那么多状态叠加又有什么用？

　　关键在于干涉。量子算法会精心安排各条计算路径，让指向错误答案的“波纹”相互抵消，让指向正确答案的“波纹”相互增强。这样，测量时读到正确答案的概率就被大大放大。量子算法的本质，不是“同时算出所有答案”，而是“让正确答案的概率变大”。

　　除了叠加，量子比特之间还能纠缠，形成一种经典世界没有的关联，从而支撑更巧妙的信息处理。

　　这里必须澄清一个常见误解：量子计算机不是在所有任务上都更快的通用加速器。

　　对于日常办公、看视频、绝大多数普通计算，它并没有优势，甚至可能更慢。它真正发光的地方，是少数被专门设计出量子算法的难题，比如大数分解、某些搜索与模拟问题。换句话说，能不能用好量子计算机，取决于有没有合适的量子算法，而不是买一台就万事大吉。

　　量子态极其脆弱，稍有扰动就会出错。环境噪声、控制误差都会让叠加态退相干，而量子计算又不能像经典电路那样简单地“复制一份来纠错”——因为不可克隆。

　　所以当前最大的工程挑战，是量子纠错：用许多物理量子比特，去编码出一个可靠的逻辑量子比特。这要求把错误率压到极低，而做到这一点，目前仍然非常困难。

　　所以，量子计算机更像是一扇刚被推开的门，而不是一间已经布置好的房间。它提醒我们：计算的边界，可能比我们以为的更宽广。

思考题

　　既然叠加态能同时表示很多状态，为什么量子测量不能直接读出所有答案，而还要依靠干涉？

设计师 | 南国微雪