理解量子计算 留言

Understanding Quantum Computing

Mark Elo, Tabor Electronics, Nesher, Israel

“我敢肯定地说，没有人懂量子力学”——物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)，因其开创性的量子电动力学理论而获得1965年诺贝尔奖。

对计算、通信、仿真和传感等量子物理应用的研究，正以疯狂的速度推进。它在密码分析、安全通信、材料性能预测和光谱学等方面取得巨大进展的期许，已经引起了许多国家政府和私人投资者的注意，急于资助进一步的研究。

那么，量子计算为何如此重要？

普通的数字计算机通过操纵bit执行数据处理任务；每个bit有一个为1或0的值。量子物理学家会说：这是计算的一种“常规”实现方法。计算机的一种“量子”实现方法，是操纵量子bit (qubit)。qubit的值可以为1、0或同时为1和0。当该bit同时为1和0时，则称其处于量子叠加状态。此外，一个qubit的状态会影响另一个qubit，即使它们相距甚远；此时的状态，称之为量子纠缠。叠加和纠缠，是量子计算的核心，提供了可以将密码分析所需的计算从数年加速到数分钟的能力。

要理解一台量子计算机的工作原理，我们需要理解电子的特性：电子在电磁(EM)场中的行为，以及在一个qubit中如何应用它。接着，我们就能理解qubit的实现，以及如何控制并测量其状态。最后，我们将讨论qubit如何相互作用，以及将多个qubit放在一起时它们是如何进行计算的。先撇开开篇中费曼对量子物理学的评论，通过对射频/微波信号行为——特别是传输线和电感/电容(LC)调谐电路——相当基础的理解，我们能够更容易地理解如何控制、操纵数据并进行计算。

原子和电子是如何工作的

量子计算是建立在以下这些伟大的物理学家的工作之上的：普朗克提出，能量不是连续的而是量子化的；爱因斯坦发现了光电效应；波尔和卢瑟福将普朗克的量子化能量准则用于电子轨道；德布罗意提出了电子粒子也具有波的性质；薛定谔将概率引入电子的能量状态。

每条原子轨道由电子伏特(eV)度量的一个能级表示，其中最低的轨道称之为基态。由于一个粒子也可以是一个波，该能级的频率等于以eV为单位的能级除以普朗克常数(量子化常数)。参见图1。如果我们想让电子迁移到一个更高的能量状态，我们需要施加一个频率                             的电磁能量，式中为想要达到的能级，为当前的能级，为普朗克常数。电子将吸收这个能量并迁移到下一个量子能级。一旦该能量被去除，电子将回落到初始能级，以先前吸收时的同一频率发射出这个能量。激励的频率——而不是大小——才是关键。提高能量不会让电子迁移到一个更高的能级，提高频率才会。有了这样的理解，如果我们可以将能级数限定为2个，我们就有了用单个电子操纵1和0的基本构件。

电子还有一种称之为自旋(spin)的角动量。当电子从一个能级迁移到另一个能级时，其自旋动量随之变化。在较低的能级，动量指向下方，称之为“自旋向下”。施加EM能量时，自旋随之变化，直至电子达到下一个能级时动量指向上方。即“自旋向上”状态。当电子状态可以这样定义时，称之为具有一个本征态(eigenstate)，因为其位置和动量都是已知的，并且可以通过测量来量化。

薛定谔假设了一个电子不处于自旋向上或自旋向下状态——而是介于两者之间——的概率。由于电子并未处于一个或另一个能量状态，并且未在这两个能量状态之间振荡，因此电子同时处于这两个状态或这两个状态的叠加。

原文始发于微信公众号（actMWJC）