量子计算机：人类技术的极限在哪？

从我们的历史来看，人类的科技大都建立在脑、火与尖锐的棒子上。当火和尖锐棒状物变成发电厂和核武器时，脑的大进化已经开始发生。自从1960年代来，电脑的运算能力呈献指数性的成长，使得电脑愈来愈小，同时愈来愈强大。

但是计算技术演化已经快碰到了物理上的极限，电脑元件尺寸正在趋近于原子的大小。为了说明这为什么是个问题，我们必须要先讲解一些基本知识。

电脑是由执行简单功能的简单元件所组合而成，以呈现数据，意思就是运算并控制机械。

计算机芯片包含模组，模组包含逻辑门，逻辑门包含晶体管。晶体管代表着电脑的处理器里一个最简单的型态，简单说是个可以阻挡、通过信息的开关。而此信息是由比特构成，它可以设为0或者1，多个比特的组合通常代表着更复杂的信息。

将晶体管组合后会变成逻辑门，它还是只有简单的功能，例如，一个AND门只有在输入值皆为1时才会输出1，否则就会输出0。最终组合不同的逻辑门形成了有意义的模组，比方说加法的功能模组。

一旦你能够使用加法，你也可以使用乘法，一旦可以使用乘法，基本上什么都可以做了。自从所有基本运算都比一年级的数学简单，你可将电脑想像为一群在回答基础数学题的7岁小孩。足够数量的小孩可以计算所有的东西，不论是天文物理或萨尔达传说。

然而，随着元件愈变愈小，量子力学让事情变得很诡异。

简而言之，一个晶体管只是一个电流开关。电流表示电子由一端流向另一端，所以开关就是可决定是否让电子流过的单向通道。现今的晶体管尺寸大约是14纳米，是艾滋病病毒直径的1/8，并且是是红血球的1/500。

当晶体管小到仅几个原子大的尺寸时，电子会无视阻挡将自己传送到另一端，这现象称作量子隧穿效应。

在量子世界里，物理运作方式和我们平常看到的不太一样，而传统的电脑就开始没逻辑了。我们的科技正一步步接近物理的极限，为了解决这问题，科学家尝试利用量子物理不寻常的特性中的优点，方法就是建造量子计算机。在一般电脑中，比特代表着信息的最小单位。

量子计算机使用的是量子比特，它同样可以设成0和1。一个量子比特可以是任何二阶的量子系统，像是自旋和磁场，或是单一的光子，0和1是系统中可能存在的状态，就像是光子横向或纵向的偏振。

在量子世界里，量子比特不一定是0和1这两种状态之一，它可以在他们间同时表现出所有的偏振状态，这被称作为量子叠加。

但当你想把一个光子送到滤波器做测试时，它必须决定自己是纵向或横向偏振，所以当它被观测之前，量子比特就代表着0和1之间所有可能的叠加状态，你无法预期是哪个状态。但当你测量它的瞬间，它将会塌陷为一个固定的状态，量子叠加状态改变了游戏的规则。

四个传统比特中，每个比特各自表示两种状态中的一种，这共包含了16种不同的组合，但只能使用其的一组。四个量子比特则可以同时代表着16种状态，每增加额外的量子比特，组合数将会是指数性的成长，20个量子比特就可以平行储存100万个数值。

量子比特还有一个诡异并不确定性的特性，那就是量子纠缠。

它使另一组纠缠状态的量子比特呈现与自己相反的状态，就算他们之间被分开多远都一样。这意味着只要测量其中一个纠缠态的量子比特，利用这特性就能不用观测而得知另一组结果。

操控量子比特就像是脑筋急转弯，一个普通的逻辑门有着单纯的输入，并产生一个固定的输出。量子门输入一个叠加，旋转它改变机率，输出另一个叠加。所以一台量子计算机操作部分的量子门产生纠缠，并控制机率，最后测量输出，让叠加状态崩溃后得出最后结果的0和1。

这意味着你可以将这么多种可能性同时进行运算，最终你只会测量到一个结果，而这结果只是有很高的机率可能就是你要的。所以你可能要多计算几次以检查结果。

但巧妙地运用叠加和量子纠缠，效率相比一般电脑将会是指数性的成长，所以量子计算机虽然无法取代现在的计算机，但在某些领域它们是非常优越的，其中之一就是数据库搜寻。

一般电脑再数据库中搜寻可能要搜寻每一份资料，量子算法只需要原来运算时间开根号的时间，这在大型数据库上会有着极大的差距。

量子计算机中最著名的用法就是破解信息安全机制，现在你浏览的银行邮件还是被加密系统给保护着，借由你给其它使用者不同组的公钥，来加密只有你能解密的讯息。问题是拿到公钥的人可以计算出你的密钥。

幸运的是，使用一般的电脑必须花上数年运算，不断地尝试错误才有办法解开。但对于量子计算机，由于运算速率是呈指数的增加，这可能只是小菜一碟。

另一个著名的用法就是当作模拟器。模拟量子世界非常地消耗资源，甚至是一些巨大的结构体，例如分子结构。它们通常缺乏精准度，所以为何不用真实的量子计算机来模拟量子物理环境呢?模拟量子环境可能让我们更了解蛋白质的组成，这将给我们的医学带来革新。

目前我们并不清楚量子计算机会个是专门用途的工具，还是为人类带来重大革新。我们还不清楚科技的极限在哪里，但只有一种方法可以找出答案。