量子计算机的意义何在？

当我们最引以为豪的技术成就是将人绑在火箭上并将其指向月球时，参与其中的工程师们面临着巨大的挑战。但是，现代计算机科学家可能会抱怨，至少他们可以解释其中涉及的基本原理：燃料爆炸后会下降，宇航员会上升。

如今，我们珍贵的电子产品不再放在卡纳维拉尔角发射台上，而是放在我们的办公桌上和口袋里，尖端技术的世界变得更加深奥和直接。我们都知道 iPhone 6 Plus 为何令人兴奋，但大多数人很难解释它到底是如何工作的。

当我们谈论革命性的、奇异的量子计算机世界时，尤其如此。这些设备目前正在大学和微软、谷歌等科技巨头的大厅里开发。偶尔有人声称自己制造了一台量子计算机，但没有人能绝对证明它确实使用了量子机制。虽然有一小群人狂热地关注着每一项新进展，但我们大多数局外人很难解释量子计算机到底是干什么的。

在撰写本文时，我对排队等公交车的物理和工程研究生进行了一次快速、非正式的调查。我问道：“量子计算机是什么？它应该做什么？” 主要有三个回答：

• 它就像一台非常非常快的普通计算机。
• 这是一台可以打败所有其他计算机的安全性的计算机。
• 或者简单地说，“我不知道。”一个人开始进行长篇大论的解释，蜿蜒曲折地阐述了概率和微观相互作用的概念，但最后却迷失了方向。

“我们将一路追溯并测试量子力学本身。”

理论计算机科学家斯科特·阿伦森 (Scott Aaronson) 向《大众科学》表示，记者和研究人员向公众讲述了有关量子计算的不完整故事，近乎虚假。

“有这样一种说法，量子计算机是可以立即解决任何问题的机器，因为它们会同时考虑所有答案，”他说道。这个概念来自于驱动量子计算的量子比特。与普通计算机中的比特不同，量子比特不会读取 0 或 1，而是可以在计算中拥有多个“叠加”——包含一个可能的值世界。据说，其中一个值就是正确答案。从技术上讲，这可能没错。但 Aaronson 表示，人们忽略的一点是，量子计算机必须解决所有这些叠加才能得出一个答案。它是否能在任何给定问题中找出正确答案——并且比传统机器更快地找到答案——仍是一个悬而未决的问题。换句话说，没有什么特别的理由可以解释为什么 qPhone 的运行速度应该比 iPhone 快。

那么建造这样一个建筑到底有什么意义呢？

简单的答案是，有些特殊问题量子计算机应该比传统计算机解决得更快。最著名的例子是质因数分解。晶体管芯片可以很容易地将许多质数相乘得到一个大数，但要花很长时间才能将这个大数分解成它的组成部分。机器必须测试所有可能的质数组合，直到找到正确的组合。这个基本思想对于保护从你的 Facebook 密码到你银行账户里的钱等一切信息都非常重要。

1994 年，数学家 Peter Shor 证明量子计算机的特殊性质使其能够从大量错误答案中快速筛选出构成巨大数字的真实因子。粗略地说，质因数分解问题的所有可能答案同时以叠加方式存在于量子比特上。它们具有称为振幅的属性。振幅与概率有关，但被扭曲为包含负数和虚数。想象它是量子世界中一种狂野的概率。Shor 想出了一种方法，可以列出特定质因数分解问题的潜在答案，以便错误答案的振幅相互抵消。在量子计算机上运行 Shor 算法，错误答案会相互抵消，只留下正确答案（在这种情况下，可能是破解 Facebook 密码的关键）。

阿伦森说，这个想法虽然正确，但却忽略了量子计算机的重点。

“这是一个很容易讲给别人听的故事，但这不是正确的故事，”他说。在他看来，量子计算并不是要在网上抢劫银行。而是要证明宇宙的一些基本原理：几十年前关于量子力学的奇怪说法——爱因斯坦称之为“诡异”并花费数年时间试图否定的理论——不仅仅是理论。

“如果量子力学没有让你感到不安，那你就没有正确思考它，”阿伦森说。量子力学告诉我们，我们对世界的所有基本假设都是错误的。当棒球击中球棒时，它可能会飞到左外野。但它也可能变成一只小小的狂暴的大猩猩，或者倒在地上高唱加拿大国歌，或者完全从可见的世界消失。在我们所看到的一切之下，粒子都在疯狂地随机颤动。我们生活在一个奇怪的振幅汤里，我们很少从经验上观察到它。

阿伦森说，如果建造出一台全尺寸的量子计算机，那么所有怀疑量子理论的人——甚至科学家中也存在怀疑者——都将不得不认输。这将是一项像大型强子对撞机一样的成就，欧洲核子研究中心的科学家利用它发现了希格斯玻色子，并证实了标准物理模型的许多说法。换句话说，阿伦森认为量子计算机将成为一台其最大用途是服务于纯科学的机器。

“量子计算有一些复古的东西，”他说，“我们会一路回顾并测试量子力学本身。”