恐怖的算力：量子计算机，纠缠态下的超级速度

什么是量子纠缠呢？

请想象一下，我们把一双鞋子放入两个鞋盒子中，不过，我们不知道哪一个盒子中放的是右脚鞋，哪一个盒子中放的是左脚鞋。现在，把两个鞋盒分开得足够远，你打开其中一个，如果看到的是右脚鞋，那么你就知道，另外一个鞋盒中必定是左脚鞋，反之亦然。

上面这段像是废话？别着急，重点还没来呢。

如果这双鞋子不是普通的鞋子，而是一双量子纠缠鞋，那情况就完全不同了。非常神奇的是，盒子在没有被打开之前，里面的量子鞋竟然处在了左和右的叠加态中，既是左脚鞋，也是右脚鞋。你打开鞋盒之后，有可能看到左脚鞋，也有可能看到右脚鞋，这是不确定的。但只要其中一个鞋盒被打开了，另一个鞋盒中的鞋子也就等于确定了左或右，打不打开都确定了下来。

这就是神奇的量子纠缠现象。但要注意，宏观物体是不存在叠加态的，上面说的“量子纠缠鞋”，实际指的是微观世界的粒子。量子纠缠现象是量子叠加态的必然结果，虽然很神奇，但并不神秘。量子纠缠有着非常广阔的应用前景，比如，量子计算机。

量子计算机是科学家们正在研究中的未来计算机，它有一些特殊的本领是电子计算机望尘莫及的。比如说，用现在的电子计算机来计算某一个方程的解，可能需要好几亿年，但是，同样的计算工作交给量子计算机，只需要 1 秒钟就够了。

我们先从最简单的一个例子开始。

现在，我手里有一把锁，它有两个齿孔，一个朝上，一个朝下；这把锁就需要一个和它匹配的钥匙才能打开：

但是，现在的情况是，我不告诉你我这把锁的两个齿孔到底哪个朝上，哪个朝下，这样一来，就一共有四种可能性了：

如果你是那个配钥匙的工匠，你觉得要怎样才能打开锁呢？没有其他好办法，只能去凑，运气不好的话，可能就要凑到最后一种钥匙才能把锁给打开了。

我们现在的电子计算机解方程的过程，就好像这个配钥匙的工匠，它的工作原理就是一把钥匙一把钥匙地去凑，直到凑出来为止。如果齿孔的数量是 3 个，那就会有 8 种不同的可能性，齿孔是 4 个，就会有 16 种不同的可能性。这种可能性的增加速度是非常快的，只要当齿孔的数量达到 40 个，就有超过 1 万亿种可能性了。

但如果是量子计算机呢？我们还是以这个只有两个齿孔的锁为例子，我们不知道要打开的锁到底是四把钥匙中的哪一把。

量子计算机配钥匙的工具就用到了量子纠缠。我们可以制造 2 个纠缠的量子，每一个量子都有两种自旋态，要么是上自旋，我用 1 表示，要么是下自旋，我用 0 表示。这样一来，这两个纠缠的量子就有四种可能性：11、10、01、00，你看，这不就相当于对应了这把锁的四种可能性吗？

纠缠的量子有一个最神奇的地方，就在于它们可以同时处于四种状态中，这就好像2个纠缠量子，就是四种不同钥匙的叠加态。这时候，你用这把特殊的量子钥匙去开锁，那么必然有其中的一种状态能打开，这就好像你有了一把万能钥匙。如果齿孔的数量增加到 3 个，那么，量子计算机要做的就是设法制造出 3 个纠缠的量子，只要能让3个量子纠缠起来，那就可以一次性成功打开这把锁。

量子计算机运算速度的关键就是我们能将对少个量子给纠缠起来。现在的世界记录是我国创造的，2023年10月份，中国科技大学的潘建伟院士团队实现了 255 个光量子的纠缠。如果我们还用量子钥匙的比喻的话，这就相当于可以在一瞬间打开有255个齿孔的锁。如果让电子计算机来开这把锁，那么就算等到大约50亿年后太阳熄灭，锁也是打不开的。

现在，我国的科学家们在量子计算机的研究上已经取得了世界领先，他们还在不断冲击更多数量的量子纠缠。潘建伟教授说，我们现在制造出的量子计算机，在对特定问题上的运算能力，是全世界所有电子计算机算力总和的 100 万倍。这是一个惊人的成就。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者： 科学声音

审核：北交大物理实验室高级工程师 周晓亮

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司