1.2　世界上最小的“東西”是量子

1.2.1　分子、原子和量子，哪個最大？哪個最小

分子是由原子組成的。分子最大，量子最小。這三者之間有沒有什么關系呢？

大家在上中學的物理和化學課時就知道：

質(zhì)子＋中子＝原子核；

原子核＋電子＝原子；

原子＋原子＝分子；

原子失去或得到部分電子，就是離子。

至于等離子，這么說吧，帶正電和負電的粒子，如原子核和電子，在一塊，但又不組成原子，分散存在，這種狀態(tài)叫作等離子狀態(tài)，這種物體叫作等離子體。

總結(jié)一下，物質(zhì)是由分子構成，分子是由原子構成，原子是由更小的粒子——質(zhì)子、中子和電子構成。后來又有中微子、夸克。如今人類科技發(fā)現(xiàn)最小的粒子還有重子、強子、介子及超子等?；玖Ｗ拥慕Y(jié)構關系與尺寸關系如圖1-2所示。

如果你說搞不清楚，一定是上課睡覺夢見周公去了，可以考慮重新再上一回物理課。

1. 原子

原子（atom）指化學反應不可再分的基本微粒，原子在化學反應中不可分割，但在物理狀態(tài)中可以分割。原子由原子核和繞核運動的電子組成。原子是構成一般物質(zhì)的最小單位，同類原子統(tǒng)稱為元素。已知的元素有118種。

2. 質(zhì)子

質(zhì)子（proton）是一種帶1.6×10^-19C（庫侖）正電荷的亞原子粒子，大約是電子質(zhì)量的1836.5倍。原子核中質(zhì)子數(shù)目決定其化學性質(zhì)和它屬于何種化學元素。

世界上原子不是最小的量子（量子是能量的單位），質(zhì)子是帶正電的小微粒，就是小粒子，中子是不帶電的小粒子，兩者都非常小。電子是帶負電的小粒子，比質(zhì)子和中子還小。光是由粒子構成的，每個粒子就叫作光子。

3. 夸克

夸克（quark）是一種參與強相互作用的基本粒子，也是構成物質(zhì)的基本單元?？淇嘶ハ嘟Y(jié)合，形成一種復合粒子，叫強子。強子中最穩(wěn)定的是質(zhì)子和中子，它們是構成原子核的單元。由于一種叫“夸克禁閉”的現(xiàn)象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來，只能夠在強子里面找到。基于這個原因，人們對夸克的所知大都是間接地來自對強子的觀測。

4. 量子

量子（quantum）是現(xiàn)代物理中的重要概念。量子不是粒子，它是計量能量的最小單位。

量子最早是普朗克在1900年提出的。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍。后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這與以牛頓力學為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論就是量子力學。

原子、分子、原子團、蛋白質(zhì)這些微觀的東西都屬于量子力學研究的范疇。因為經(jīng)典力學的定理和定律在這些微觀的東西上都不適用。物理基本劃分為三大塊：研究微觀物質(zhì)的量子力學，研究現(xiàn)實平常東西的經(jīng)典力學和研究強引力、高速度的天文學。

5. 量子與質(zhì)子、原子之間的關系

其實量子的概念是把物質(zhì)整數(shù)化（而不是小數(shù)化），不存在連續(xù)可分性，諸如有些人認為10cm的一半是5cm，5cm的一半是2.5cm，按道理你可以無限次分下去，但是量子的概念告訴我們這樣分是有盡頭的。

在物理學中，一個量如果不能連續(xù)變化，只能取一些分立的值，我們就說它是量子化的。好比上臺階，只能上一個臺階，而不能上半個。宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的。例如氫原子中電子的能量只能取一個基本值——13.6eV或者取其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。

6. 量子力學

量子力學描述世界的語言與經(jīng)典力學有根本區(qū)別。經(jīng)典力學描述一個物體的狀態(tài)，會給出它的明確位置；量子力學描述一個微觀粒子的狀態(tài)，給出的則是疊加態(tài)——這個粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定的位置。好比孫悟空的分身術，一個孫悟空能夠同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)。

舉一個非常淺顯的例子，在提款機你可以提100元、200元、300元等，這些都是100的倍數(shù)，不可以提105元或105.5元，因為提款機只出紙幣，而不出硬幣，105元或105.5元對提款機是沒有意義的，不是說這個世界沒有105元！只是提款機不能處理零錢。量子世界也是這樣被量子化（quantization），在提款機上取出的錢都是100的倍數(shù)，而類似光子波長，我們用4000?、4001?等表示，它們都是1?的倍數(shù)，是不是說沒有4000.5?波長的光呢？不是，只不過在量子力學中沒有意義，波長只可以量子躍遷（quantum leap）的方法改變，它必須是某一個基本單位（例如1?）的整數(shù)倍數(shù)。

7. 量子與原子、電子之間的不同

一個物理量如果有最小的單元且不可連續(xù)分割，就說這個物理量是量子化的，并把最小的單元稱為量子。重要的事情說三遍，量子不是粒子，它代表最小單位的能量！

其基本概念是所有的有形性質(zhì)也許是“可量子化的”?！傲孔踊敝钙湮锢砹康臄?shù)值會是一些特定的數(shù)值，而不是任意值。例如，在“休息狀態(tài)”的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問題。最小的能量值是一個能量子，它的數(shù)值，就是一個普朗克常量。構成光的最小能量叫光子。

以前研究的人發(fā)現(xiàn)能量的傳遞不是連續(xù)的，不是說想傳遞任意值的能量就能傳遞任意值的能量。人們發(fā)現(xiàn)能量的傳遞是一個數(shù)值的整數(shù)倍。發(fā)現(xiàn)能量也有小到不可再分的一份，必須得按這一份的整數(shù)倍傳遞。如果有類似溫度計一樣的能量計量裝置，把它放大到能看到整個細節(jié)的時候，你會發(fā)現(xiàn)里面的“水銀”不是像我們平常感覺到的連續(xù)下落，而是快速、一格一格地往下掉。一格就是一個量子。

當接觸到能量子后，就不再有連續(xù)的概念。量子作為宇宙中最小的能量，一切東西都以量子的整數(shù)倍存在，沒有變化是連續(xù)的。將現(xiàn)實世界以量子的眼光看，沒有比量子還小的位移。你從這里走到那里，好像整個過程沒有一個地方落下，其實你的身體動作都是一格一格地位移。你與人說話，感覺自己嘴唇是連續(xù)動，其實慢放到量子級。你的嘴唇是在一格一格地動。而格與格之間你并沒接觸過，也沒有連續(xù)的線，那兒只是一個很密的點集，點與點之間距離最小為量子的點集。也沒有連續(xù)的時間與空間。數(shù)學函數(shù)里的連續(xù)在現(xiàn)實中是講不通的。將函數(shù)圖像量子化，函數(shù)都是點集，哪來的連續(xù)？

8. 量子存在于原子哪里

量子是種廣泛的概念，而不是一種具體的粒子。前面已經(jīng)說過，量子不是粒子，它是計量能量的最小單位。量子力學認為物質(zhì)（包括時空）都不是連續(xù)的，而是一份一份的，連電磁波也是一份一份的，即光量子。

1.2.2　量子計算機是什么

1. 量子計算機使用量子比特

量子計算機依賴出現(xiàn)在自然界的量子力學現(xiàn)象——基本上是物質(zhì)的兩種重要狀態(tài)，名為疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。物質(zhì)的這些狀態(tài)被用于計算時，有望提升對復雜數(shù)據(jù)集執(zhí)行計算的能力。

這里的重要區(qū)別在于量子計算機不同于傳統(tǒng)計算機，傳統(tǒng)計算機是依賴晶體管的二進制數(shù)字電子計算機。

什么是晶體管？這個估計大家都知道，普通智能手機里面就有幾十萬個晶體管，晶體管可在兩種狀態(tài)之間切換：0或1，即開或關，從而計算信息。

量子計算機并不使用晶體管（或經(jīng)典比特），而是使用量子比特（Qubit）。經(jīng)典比特與量子比特的區(qū)別如圖1-3所示。

量子比特是量子計算機中基本的信息單位。

量子比特可能是-1或1，也就是同時擁有這兩個值的屬性，這就叫疊加。所以，執(zhí)行計算方面立即有了更多種可能性。

如今市面上最先進的量子計算技術可以使用多達1000量子比特。

另外，量子比特可以利用一種名為量子糾纏的狀態(tài)，在這種狀態(tài)中，成對或成組的量子粒子連接起來，那樣每個粒子就無法獨立于其他粒子加以描述，即便粒子之間隔著很遠的距離（例如宇宙的兩端）。

愛因斯坦稱之為“遠距離的幽靈行動”（spooky action at a distance），它正是量子傳輸?shù)睦碚摶A。

對于那些不是量子物理學家的普通人來說，重要的是，由于量子比特以及疊加和糾纏現(xiàn)象，量子計算機可以同時處理大量計算任務，而且速度比傳統(tǒng)計算機快得多。

2. 量子技術的實際應用

首先，不妨來一個思維實驗。設想一下你手拿一本電話簿，然后再設想你要在該電話簿中查詢某個特定的電話號碼。使用晶體管的經(jīng)典計算機會搜索電話簿的每一行，直至找到并返回匹配號碼。相比之下，由于擁有量子比特，量子計算機可以同時評估每一行，并返回結(jié)果，速度比經(jīng)典計算機快得多，可以立即搜索整本電話簿。

因此，該技術可以應用于那些有無限變量的行業(yè)問題，那些變量組合構成一系列數(shù)量非常多的潛在解決方案。這些巨大的變量問題通常被稱為優(yōu)化問題。

例如，可以為中國每個春節(jié)回家過年的人（要知道，這是每年人類的最大遷徙）優(yōu)化航線、機場時刻表、天氣數(shù)據(jù)、燃料成本和乘客信息等，從而獲得全中國總體來說最具有成本效益的解決方案。經(jīng)典計算機需要幾千年時間計算解決這個問題的最佳方案。從理論上說，每臺量子計算機的量子比特數(shù)量增加后——這一幕已成為現(xiàn)實，量子計算機就可以在幾小時內(nèi)或更短時間內(nèi)完成這項任務。

量子比特的發(fā)展速率以時間為軸，速度呈線性上升，如圖1-4所示。

3. 量子計算機已經(jīng)造出來了

加拿大D-Wave公司在幾年前已經(jīng)制作出世界上第一臺商用量子計算機D-Wave Systems，位于加拿大溫哥華的量子計算機如圖1-5所示。這家公司被廣泛視為量子計算的開路先鋒和標準制定者。量子計算機容量日益增加這個現(xiàn)象被稱為羅斯定律（Rose Law），該定律以D-Wave公司的首席技術官喬迪·羅斯（Geordie Rose）命名。

量子計算的羅斯定律就好比半導體處理器領域的摩爾定律?；旧?，量子計算機的速度已經(jīng)變得很快。

D-Wave公司處于量子計算商業(yè)應用的最前沿，但是有一些細節(jié)需要考慮。D-Wave公司還沒有做出一款通用量子計算機。它好比是針對特定應用的處理器，經(jīng)過了調(diào)優(yōu)，旨在處理一項任務——解決離散優(yōu)化問題。這對應于許多現(xiàn)實世界的應用領域，從金融、分子建模到機器學習，不一而足，但是它不會改變?nèi)藗兡壳暗膫€人計算任務。

在短期內(nèi)，假設它會應用于科學超級計算任務和商業(yè)優(yōu)化任務，可能會隱藏于互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數(shù)據(jù)中心，改善圖像識別及其他形式的近似人工智能的神奇任務。在大多數(shù)情況下，量子計算機對經(jīng)典計算集群而言將是起到加速作用的協(xié)處理器。

D-Wave公司向谷歌之類的客戶銷售和出租量子計算機。據(jù)說這些機器的成本為1000~1500萬美元。

就算D-Wave機器在大眾使用上還沒普及，IBM公司已經(jīng)開始在提供“世界上第一個通過IBM云提供的量子計算平臺”，旨在讓公眾可以發(fā)掘量子處理能力。

2017年11月，IBM公司公布了世界上第一臺50量子比特的量子計算機。它誕生在一個實驗室里，在一個巨大的白色箱子里，用泵保持它的最適宜溫度，還有一些傳統(tǒng)的計算機管理被啟動的任務或算法。

這就是50量子比特的量子計算機樣子！近距離觀看，別具匠心，如圖1-6所示。

在2017年的國際消費電子展上，IBM公司帶來了內(nèi)部結(jié)構——需要將信號發(fā)送到芯片上的電線和管道，從而讓系統(tǒng)保持適宜的超低溫溫度。從遠處看，它就像是蒸汽朋克的枝形吊燈，或者是一系列錯綜復雜的管子和電線，最終達到底部的一個小鋼瓶。

事實上，它是有史以來最復雜的量子計算機之一。處理器內(nèi)部有50量子比特，它們以一種突破傳統(tǒng)計算機的革命方式進行任務處理。通常，信息被創(chuàng)建并存儲為一系列的1和0。

量子比特可以同時表示兩個值（被稱為疊加），這意味著量子計算機可以同時對兩者進行測試。添加更多的量子比特，這種計算能力會增加到令人難以置信的程度。

IBM公司的研究人員介紹說，最大的挑戰(zhàn)是將芯片從不需要的噪聲中分離，包括電、磁和熱噪聲。

1.2.3　量子計算將在我們有生之年普及

在科學技術領域，人們多年來一直對研發(fā)量子計算機充滿熱情，但它還尚未走進我們的日常生活。可是量子計算機從科學理論轉(zhuǎn)向大眾普及，也許并不需要30年那么長時間。很快我們會開始發(fā)現(xiàn)量子計算機能在更廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，包括物質(zhì)科學、化學領域、物理系統(tǒng)、人工智能和機器學習等。量子系統(tǒng)可以無縫地加密數(shù)據(jù)，并幫助人們對已經(jīng)收集到的大量數(shù)據(jù)進行理解分析，甚至能夠解決即使是最強大的超級計算機也無法解決的復雜問題，如醫(yī)療診斷和天氣預報。目前尚未成熟的量子技術正在變得更加接近人們想要的技術水準了。

量子計算機的核心是什么樣的呢？

如果你走進一個帶有量子機器的房間，你會看到一個真空室或?qū)Ч埽约耙皇丈涞剿募す猓以诒倔w里面有一個很低密度的特定的原子。人們使用激光減緩非常接近能量絕對值為零的原子運動，這就是激光冷卻。目前，系統(tǒng)需要的環(huán)境溫度大約需要接近絕對零度，系統(tǒng)需要保持適宜的超低溫溫度的部分如圖1-7所示。

量子計算機最有可能的應用是什么？

說實話，目前沒有確定的答案。一般認為，量子計算機不一定會對所有的計算任務有幫助。即使是最好的傳統(tǒng)計算機也有在數(shù)學問題上難以解決的時候。這就像假設你想給一群人送一種禮物，而每個人都有自己感興趣的東西，所以對于這個禮物來說，這些不同的興趣點可能是矛盾的。

所以會發(fā)生的是，如果你用傳統(tǒng)的方式解決這個問題，你必須對這群人每一對或三個一組進行檢查，以確保至少他們的興趣點是滿意的。這個問題的復雜性非常迅速地增長，因為你需要檢查的經(jīng)典的組合數(shù)量是以指數(shù)計算的。這里有一些人相信，對于這類問題，量子計算機比傳統(tǒng)計算機更有優(yōu)勢。

實際上，量子計算機的一個重要意義在于，我們已經(jīng)建立了足夠大、足夠復雜、足夠量的機器幫助我們進行科學實驗，即使是世界上最好的傳統(tǒng)計算機，例如超級計算機也不可能完成量子計算機進行的科學實驗。

在實踐中，量子計算機和傳統(tǒng)計算機將可能攜手合作。事實上，最可能的情況是，大部分主要的工作是由傳統(tǒng)計算機完成的，但是其中一些最困難的問題，可以通過量子計算機解決。

另外，還有一個領域就是量子通信，它可以使量子態(tài)在站與站之間進行傳輸。而且，通過這些量子網(wǎng)絡（有時也被稱為量子互聯(lián)網(wǎng)），人們能夠遠程訪問量子服務器。這樣，當然可以想象量子計算機可以進入日常生活的許多可能性，即使你不能把它放在自己的口袋里。

我們還不知道量子計算機將如何做到上面說的這些，但可以相信，很快就會知道的。