要阐明量子征象，实在很简朴。我们认识的一样平常物理征象中含“经典”二字的，它们都服从经典物理学：变乱是确定的，变乱发生的链条也是确定的，这种确定性就是牛顿天下的根本规律之一，而推动变乱发生的链条的逻辑就是牛顿力学和其他相干的物理学，比方电磁学等。那么，什么是量子天下的根本规律呢？起首，量子天下第一条颠覆我们想象的是，任何变乱并没有确定性。好比，我们看一枚货币，它有两面，我们每一次看的时间，肯定只能看到它的一面，而不是同时是两面。在微观天下，一个根本粒子比方电子，当我们看它的时间，它是不确定的——位置和速率都不确定，即将打在荧光屏上的电子可以同时在许多差别的位置。这种不确定性在微观天下是主导性的，只有当我们观察越来越大的东西的时间，比方由许多个原子构成的一块物质，确定性才渐渐出现出来。既然变乱自己在微观天下是不确定的，那么，也就不存在确定的变乱链。代之确定变乱链的，是同时存在许多差别的变乱链，而推动许多差别变乱链随时间发展的规律，叫做量子力学。
说完了量子，再看盘算。实在，我们可以用盘算来代替实际天下中发生的任何物理过程。要明白这一点，我们先举两个例子。第一个例子是最根本的：一个简朴粒子的活动。由于我们面前只有一个简朴的粒子，它在任何时候的状态就是它的空间中的位置，这可以由三个数字来表现（空间是三维的，也就是表达前后左右上下的三个数轴）。当粒子活动起来时，它的轨迹可以用一串三个数字来表现，也就是三组数字。主导粒子活动的是力学，实在就是从前面三个数字推断接下来三个数字的规则，这个规则就是运算指令。一个粒子的活动，实在就是盘算机中的一个步伐的简朴实行。
我们再看第二个轻微复杂的例子：两个粒子的活动。两个粒子的活动可以是前面所说的两个独立粒子的活动，这是最简朴的环境。这个简朴的环境不外是我们说的简朴步伐的两个独立的运行。假如粒子不是独立的，好比当两个粒子跑到空间上同一个位置的时间，我们要修改接下来它们地点位置的指令，这个被修改的指令，实在就规定了粒子碰撞的规律。这个时间，我们就必要修改两个简朴步伐了，得到的无非是一个轻微复杂的步伐。我们在盘算机中运行这个轻微复杂一点的步伐，就再现了两个有着相互作用的粒子的活动。
将前面所讲的两个例子再做推广，实际天下中任何复杂的物理征象和过程都可以用盘算步伐大概盘算过程再现出来。这实在就是我们的盘算机和手机天天为我们所做的事变：我们用微信和朋侪接洽，我们在某视频平台看电视，实在都是盘算过程。只不外，全部这些盘算过程都是确定的：每一个环节是确定的，从一个环节推导下一个环节也是确定的。
将盘算和盘算过程推广到量子天下中去，就是量子盘算。怎样直观地明白量子盘算呢？我们回到最原始的盘算方法：算盘。各人知道，一个算盘是由许多串算盘珠子构成的。每一串算盘珠子，可以用来表达一个数字。比方，在十进位中，就有十个数字，从0到9。这十个数字可以用这串算盘珠子的状态来表达：当全部算盘珠子都在下方时，就是0，当一个算盘珠子被拨上去的时间，就是1，以此类推。为了和我们如今的盘算机接洽起来，更加简朴和方便的方式是二进位，也就是说，每一个位置上的数字只有两个，0和1。如许，10这个数字就和十进位中的数字不一样了，它代表的十进位中的2，11 就代表了3，100代表了4，等等。假如我们将n 个数字串起来，我们最多可以写出从0到2的n次方个数字。我们怎样盘算两个数字加起来所得的新数字呢？实在很简朴，就是将我们平常所用的十进位中的加法轻微改变一下：先从第一个位置加起，渐渐向上加，只是，我们不再是逢10进1，而是逢2进1。更加复杂的运算，比方乘法和除法，都可以用雷同的方式实现。
如今，我们总结一下。实际天下中任何复杂的物理过程都可以用一个充足复杂的步伐运行出来，而任何复杂的步伐都可以拆分成许多前面所说的2 进位数字的运算，这正是当代盘算机资助我们办事的原理。偶然，我们会轻微“高端”地说，我们可以用盘算机模仿物理过程。
接下来，我们就能明白什么是量子盘算了。前文指出，一串数字，此中每一个数字不是0就是1，可以用来代表一个确定的比力大的数字。但是如果我们不消经典天下中简直定命字来表达一个数，而是用微观天下中的状态表达的一个数字，风趣的事变就发生了。最简朴的，看n个分列好的电子。如今，我们假定电子的位置是确定的（总有某种方法做到这一点），那么我们用什么来取代0和1呢？电子有所谓的自旋，也就是说电子是一个小陀螺。电子的自旋有两种状态，向上大概向下。但是电子的自旋如今出现不确定性，也就是说，它的自旋可以同时是向上大概向下的。这就非常故意思了，将一串电子串起来，用它们的自旋状态表达数字，这个数字是不确定的，它大概是2的n次方以下的任何一个数字。这是量子盘算的第一个特性：差别于传统算盘，一串电子可以同期间表许多差别数字。接下来，我们来看看“量子加法”，两串电子状态“加起来”，我们同样是逢2 进1，但由于每一个位置的量子数字都是不确定的，我们所得的效果也是不确定的。这是量子盘算的第二个特性，运算之后的效果也是不确定的。
既然量子盘算的两个特性是如许的，我们不是不能用量子盘算做任何事变了吗？传统盘算机的功能不是都没用了吗？对这个题目的答案是否定的，不但是否定的，我们对这个题目的答复是惊人的令人满足：我们可以同时做许多差别的盘算，从而同时模仿许多差别的物理过程。既然一串电子可以同期间表许多差别的数字，那么我们就可以用这串电子代表许多差别的物理变乱，那么，量子加法的效果就是将许多差别的物理变乱推导到下一步许多差别的物理变乱。许多步加法的效果就是出现许多差别的变乱链。
一个所谓的量子盘算机，就是由许多上述的电子分列构成的，这些电子分列就会完成许多差别的量子盘算。
在通常的盘算机中，都有许多复杂的电路，这些电路有的就是更加复杂的算盘，而有的是用来储存步伐的，这些步伐不是别的，就是加法的实行指令串。同样，我们可以想象将来的量子盘算机，它同样由两部门构成，一部门用来表现不确定的算盘珠，另一部门用来储存量子加法指令串。量子盘算机比通常的电子盘算机良好的地方在于，它同时举行许多差别的盘算，大概说，它同时运行差别的物理变乱链。
那么，同时运行差别的变乱链有什么利益呢？举一个例子。25是由5乘5所得，在平凡盘算中我们要得到这个效果，用的是穷举法，我们先用2来除25，得不到一个整数，接着用3来除，照旧不可，我们再用5来除。也就是说，要得到25的素数分解，我们至少得做三次除法。假如用量子盘算机来做，我们只用一次运算就可以了，由于量子盘算同时做差别的除法。
固然，实际天下黑白常复杂的。举一个例子，假如我想用手机出现一个人脸，我们起首要将手机屏膜分解成许多“像素”，也就是一个个差别的小方格。然后，我们在每个小方格中出现许多差别的颜色，从赤色到紫色，格子越小，颜色分得越细，我们出现出来的人脸也就越清楚。固然，这个方法不但可以出现人脸，还可以出现更多的图画，好比一条狗。每一个图画，抽象出来就是一个数字。我们在手机上放映一个短视频，实在就是放映一组数字。这个数字链，就是视频软件让手机所表达的一个变乱链。如今，我们来问一个更加“高级”的题目：我们怎样用手机来办理一个详细的题目？比方，怎样走出一个迷宫。好了，如今我们用手机出现出一个迷宫，这个迷宫中有许多差别的路，绝大多数路都是“绝路”，也就是说从这个入口进去，我们找不到一个出口。假如我们用鼠标控制一个点，我们只能让这个点在一条一条路中实验走出来，我们大概率要实验险些全部的路。如今，想象我的手机是一个量子手机。用一个固定的屏幕状态代表这个迷宫，但是我们的鼠标的点却是量子的，它可以同时实验在全部的路中走，此中总有一条路是通的。也就是说，我们只要运行手机一次，就办理了题目。
我不太喜好用通例的数学方式来表明量子盘算，比方，一个量子盘算机运行的速率比通常盘算机运行的速率有指数级的增长。但是，我前面举的例子可以资助各人来明白这些数学形貌。
2019年，谷歌的一个科学家团队实现了一串53个量子比特的量子盘算，所谓53个量子比特？就是前文所说的一串53个电子，它可以用来同时表达2的53次方的数字。这个数字有多大？在十进位中，差不多就是1亿亿。这黑白常大的一个数字，直观地说，假如我将手机屏幕分解成1亿个像素，那么每个像素中得有1亿种颜色才气到达谷歌团队的量子比特，这是一个非常了不得的剖析度，而且，仅仅用到了53个电子。
2020年年底，中国科技大学的一个科学家团队做到了76个量子比特，这比谷歌团队所能表达的数字又大了一百万倍。在盘算速率方面，比谷歌团队快了一百亿倍。
固然，全部这些希望现在还不是所谓的通用盘算机，也就是我们平常用的手机。所谓通用，就是将许多种不能的功能用简朴的量子盘算实现。现在全部“量子盘算机”的一个更大的题目是，它们的盘算仅仅范围于极短的时间内，也就是说，这些盘算机黑白常脆弱的，黑白常不稳固的。
可以想象，一旦稳固的通用量子盘算机出现，可以资助我们办理许多差别的题目。好比，它可以容易地资助我们办理炒股题目（现在A股市场就是一个热度很高的市场）。股市是一个高度复杂的市场：它由许多差别的生意业务人构成（好比，假设同时有两亿个生意业务人，这相称于现在A股的散户数），每一个时候，每一个生意业务人可以在数千只股票上做出差别的生意业务，以是，股市每一个时候的状态数，是一个非常大的数字，我们简化一下题目，这个数字可以由生意业务人数乘以股票数乘以下单的大概最大数字。但这还不是股市最复杂的地方，这些数字还不至于大到可怕的水平。股市最复杂的地方在于我们无法从如今一个生意业务状态推测下一个生意业务状态。如今，量子盘算就会发挥它的最大的威力了，它可以同时举行差别的运算，也就是说，岂论现在的生意业务状态是什么，下一个生意业务状态可以是恣意的。
固然，我不是金融专家，更不是一个股市高手，纵然一个稳固的、功能强盛的量子盘算机被实现了，我也很难猜测，一个实用的、可以资助我们办理股市金融的方案何时可以或许实现。但通过上面的股市例子，我们可以想象，将来许多雷同股市中的复杂题目，都有望通过量子盘算机来办理。
文章泉源：《北大金融批评》2021年第2期（总第7期）
本文编辑：陆雨田
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发表于 2020-12-24 03:49:13
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