量子人生
杨亚斌
荷兰代尔夫特理工/Precision Microsystem & Engineering
博士：清华大学/机械工程
关键词：量子计算机，Q比特，测量，纠缠，人类社会
你或许在新闻中经常看到 “量子计算机”这个词。一旦什么东西和“量子“扯上关系，相信你一定会觉得它高深莫测而立即失去兴趣。本文就带领大家来一探量子计算机这个神奇的世界。
所有的计算机操作归根结底都要通过0和1 来实现。普通计算机最基本的单位是比特，一个比特要么是0，要么是1 。 而量子计算机呢，最基本的单位是量子比特（Qubit），也叫Q比特。在任一时刻下，一个Q比特可能是0，也可能是1，而其概率并不是简单的50%，而会根据不同的状态而改变。但在你不对它进行测量（measurement）前，并无法知道它具体是0还是1。相信看到这里，你已经晕了，什么叫概率根据不同的状态而改变，“测量”又是什么东西呢？事实上，Q比特身上所具有的这些性质并不抽象也不高深，它和我们每个人的一生都有着极大的相似度。
Q比特的诞生，如同一个呱呱坠地的婴儿，即他们的人生轨迹都是不可预知的。相信每个人在童年的时候都会被人问及长大后想做什么，因为在那个时候，你的人生充满着无限可能。只不过，Q比特先生的人生比较悲惨，摆在他面前的只有两种选择——长大后要么成为1，要么成为0 。而这个选择便被称为“测量”。在“测量”前，Q比特可能是1，也可能是0。我们知道普通计算机的所有指令都是由0和1组成的。而对于量子计算机，人们不可能永远让Q比特处于同时为0和1的量子态，为了得到有用的结果，必须要在某一时刻让Q比特做出选择（也就是“测量”）。假如对某个Q比特经过一次“测量”后，它的状态成为1，而这一状态对计算机下一个指令的影响将会通过下一次的“测量”得到。但这个Q比特状态为0时对计算机下一个指令的影响我们却永远无法知道。就好像高考填志愿时，你可以选择去清华（可以看作状态为1），也可以选择去北大（可以看作状态为0），而且你必须在一个时间段内做出选择。一旦选择结束，你将永远也不会知道在另一所高校读书是一种怎样的人生体验（也许这正是豆瓣上为什么此类问题非常火的原因吧）。当然人生的美妙之处在于，你有很多次做选择（也就是“测量”）的机会来修正你的人生。尽管如此，最终你还是要为你的每一次选择所负责，因为你和Q比特一样，归根到底也只能体验一种人生。
在了解了Q比特的特性后，你自然会问，那么相对于比特，Q比特有什么优点呢？Q比特最大的优点就在于可以利用少量的物理空间来存储大量的信息。例如普通计算机要存储0和1两个数据，需要两个比特空间。而因为一个Q比特可以同时代表0和1两个状态，所以在量子计算机中，只需要一个Q比特就完成了对0和1两种状态的存储。以此类推，当量子计算机拥有n个Q比特的时候，就可以存储2的n次方个数据，这在大型计算中是相当可观的。
前面我们提到，一个Q比特在某一状态下是0还是1 的概率并不为50%，这是因为一台量子计算机往往需要由多个Q比特组成。这就涉及到了它与普通计算机的第二个不同之处：普通计算机中，每个比特之间是相互独立，互不影响的，而Q比特则不然，他们是互相影响的，这在学术上称为“纠缠（entanglement）”。这和人类社会有点相似，每个人都是社会的动物，人们的每一个决定都必然会或多或少受到其他人的影响，也就是说人和人之间也存在所谓的“纠缠”，大概就是人们常说的爱恨情仇陌路人。言归正传，人们通过多个Q比特来存储信息和进行计算操作，在需要的时候会对某些Q比特进行一次统一“测量”，而对每一个Q比特而言，这次“测量”之后，它成为0还是1并不是自己说了算的，还要看其他Q比特的“脸色”。当然，离得近的彼此纠缠较大，离得远的彼此纠缠较小。一旦测量结束，量子计算机也就得到了这些Q比特各种组合中的一种组合，与单个Q比特类似，这一组合对计算机后续操作所产生的影响可以通过后续相应的“测量”得到。但这些Q比特的其他组合对计算机后续操作所产生的影响，我们却无从而知。这就好像你可以谈很多次恋爱，但你最终只可以和一个人结婚（也就是做一次测量，measurement）。结婚当然不是一个人的事，它是两人之间的“纠缠”。如果放在中国，这意味着两个家庭至少六个人的“纠缠”。按照“认识六个人就可以认识全世界所有人”的理论，一场婚姻意味着你在影响全世界。同样，你与离你近的人 之间互相的影响自然会大，而与离得远的人影响自然就弱。也许若干年后的一个午后，你会设想如果当年和另一个人结婚会是怎样的一种人生，又会怎样的影响着这个世界，当然这一切都无从知晓。从这个角度来看，人类社会是不是更像是一个巨大、复杂却又精密无比的“超级量子计算机”。
接下来，简单说一下怎样产生Q比特。产生Q比特的方法有很多，目前最常见的是一种基于叫做约瑟夫逊结（Josephson junction）的超导电路，这种电路会随机产生顺时针或逆时针的电流回路，从而代表Q比特的这种可同时为0又为1的量子态。目前量子计算中的一大难题就在于如何产生更多的稳定的Q比特。据报道，谷歌公司在2015年推出了具有9个超导Q比特的量子计算机。
最后，本文以米兰•昆德拉所著的《生命不能承受之轻》中的一段话来结尾，以体悟量子人生的美妙：
“没有任何方法可以检验哪种抉择是好的，因为不存在任何比较。一切都是马上经历，仅此一次，不能准备。好像一个演员没有排练就上了舞台。如果生命的初次排练就已经是生命本身，那么生命到底会有什么价值？正因为这样，生命总是像一张草图，但“草图”这个词还不确切，因为一张草图是某件事物的雏形，比如一幅图的草稿，而我们生命的草图却不是任何东西的草稿，它是一张成不了画的草图。”
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