姚期智院士：神秘的量子计算跟经典计算到底有何不同

IT早报

量子计算已经出现在公众的视野中很久了。尤其是最近几年的发展，量子计算机似乎即将成为现实。但是量子力学对外行人来说是非常陌生的，甚至很多的计算机科学家，他们仍认为量子计算很神秘。他们也很难理解一些简单的问题，比如：量子计算到底跟经典计算有什么不同？它强大的计算能力从何而来？量子计算机的本质是怎么？它强大的计算能力从何而来？

　　在十九世纪，经典物理学认为，世界上的所有物质可以分成两种类型，一种是粒子，你可以把它想象成棒球或者网球，它很坚硬且有弹性，处在特定的位置上。另一种是波，比如我们看到湖中的水波，另外像我们看到的光，或者叫“光波”，也是波现象的一个例子。这就是经典物理学对物质的解释。

　　当时的科学家对这套理论非常满意。他们认为这套理论可以解释自然界的一切。然而到了二十世纪，当时的科学家们突然发现，整个世界并不是我们肉眼所看到的那样。经典物理模型有可能是错误的。他们发现，如果去观测一个很小的物体，比如原子、电子或者光子它们同时具有粒子和波的特性。人们看到的到底是粒子还是波，取决于我们的观测方式。通俗的讲，就好比《Jekyll and Hyde》的故事（编者注：英国作家Stevenson的的经典小说，书中主角有人格分裂。现多指由两种不同面目的人）。我不确定中国朋友是否熟悉这个故事。杰克是一个好人，海德是一个坏人。但大家都知道，他们实际上是同一个人的双重人格。

　　爱因斯坦在1905年发表了一篇著名的论文，他提出：光不仅仅只是波实际上，光在特定条件下表现得像粒子。所以到目前为止，物理学家根据量子理论认为，宇宙中所有的物质都具有这种双重属性。即每个物体都具有两面性。一面是粒子的特性，一面是波的特性。物理学家给它起了一个非常好听的名字，就叫做波粒二象性。它告诉我们，世界上所有物质的真实面貌，跟我们肉眼观察到的是不一样的。他们实际上既有粒子的性质，同时又有波的性质。在量子理论中，这是物质的基本性质之一这种性质非常有名。所以波粒二象性对量子计算来说是非常重要的。

　　量子计算机Vs经典计算机

　　在1936年，Turing提出了图灵机这个概念，他也是计算机领域的伟大先驱者。在1936年之后的很多年，图灵及一些其他先驱者都认为，他们已经解决了计算理论的所有问题。他们觉得自己找到了一个非常完美的，或者说是唯一的计算模型。之后的很多年，大家都抱有同样的想法。但是自二十世纪六七十年代起，一些极具创新精神的科学家们开始思考计算的本质。他们重新审视计算这个概念，思考像计算过程中需要消耗多少能量等问题。之后沿着这个思路，一些科学家也在思考，利用量子理论进行计算的可能性。其中有一个科学家为此贡献良多，他就是Charles Bennett，他也是量子计算的先驱之一。

　　对量子计算领域来说，也许最重要的一个工作是费曼在1981年做出的工作。他实际上提出了两个问题，第一个问题是：经典计算机是否能够有效的模拟量子系统？对计算机科学家来说，这是一个非常重要的问题。我们高度使用经典计算机，去计算和解释物理现象，并且实际上，计算效果确实非常好。这是因为经典物理现象都能用微分方程进行描述，而恰好经典计算机非常擅长解决这类问题。在很多领域，经典计算机都能非常好的模拟物理系统。但是费曼思考的是，如果不仅仅考虑经典物理，而且考虑量子物理的情形。