量子计算

 1840年，英国发明家查尔斯·巴贝奇在检查天文表时，因极其无聊而大声抱怨：“我真希望这些计算是由蒸汽完成的！”于是他设想了一种可以替代人类进行无聊工作的“分析引擎”以及相应程序。之后工业革命的海量数据催生了机械计算机，但它与巴贝奇的设想依然有不小的距离。但在我们这个世纪，这个巴贝奇想象中的机器却可以调用量子的力量。 20世纪20年代，量子物理学的演绎（“测不准”原理、量子纠缠、量子叠加、量子自旋、量子极化）使物理、化学、生物等多学科得到极大突破，也加速社会发展且深刻改变了人类生活、工作和学习的方方面面。这些理论也为我们现在的生活埋下伏笔。 在第二次世界大战中，阿伦·图灵的“通用图灵机”理论、约翰·冯·诺依曼的计算机架构，以及巨人计算机和电子数字积分计算机的建造终于使人类逐渐走进电子计算机的时代。但在过去七十年中，电子计算机即将发展到它的摩尔极限，但量子比特的介入将指数级提升计算机的能力……

 1840年，英国发明家查尔斯·巴贝奇在检查天文表时，因极其无聊而大声抱怨：“我真希望这些计算是由蒸汽完成的！”于是他设想了一种可以替代人类进行无聊工作的“分析引擎”以及相应程序。之后工业革命的海量数据催生了机械计算机，但它与巴贝奇的设想依然有不小的距离。但在我们这个世纪，这个巴贝奇想象中的机器却可以调用量子的力量。 20世纪20年代，量子物理学的演绎（“测不准”原理、量子纠缠、量子叠加、量子自旋、量子极化）使物理、化学、生物等多学科得到极大突破，也加速社会发展且深刻改变了人类生活、工作和学习的方方面面。这些理论也为我们现在的生活埋下伏笔。 在第二次世界大战中，阿伦·图灵的“通用图灵机”理论、约翰·冯·诺依曼的计算机架构，以及巨人计算机和电子数字积分计算机的建造终于使人类逐渐走进电子计算机的时代。但在过去七十年中，电子计算机即将发展到它的摩尔极限，但量子比特的介入将指数级提升计算机的能力……

布莱恩·克莱格(Brian Clegg)，英国理论物理学家，科普作家。克莱格曾在牛津大学研习物理，一生致力于将宇宙中奇特领域的研究介绍给大众读者。他是英国大众科学网站的编辑和英国皇家艺术学会会员。出版有科普书《量子时代》《量子纠缠》《科学大浩劫》《超感官》《十大物理学家》《麦克斯韦妖》《人类极简史》等。

他和妻子及两个孩子现居英格兰的威尔特郡。

 章 幽灵引擎的说明

第二章 一比特一比特地创造世界

第三章 柔软触感

第四章 量子奇异性

第五章 量子算法

第六章 量子硬件

第七章 到无限和更远

参考阅读

 1840年，英国发明家查尔斯·巴贝奇在检查天文表时，因极其无聊而大声抱怨：“我真希望这些计算是由蒸汽完成的！”于是他设想了一种可以替代人类进行无聊工作的“分析引擎”以及相应程序。之后工业革命的海量数据催生了机械计算机，但它与巴贝奇的设想依然有不小的距离。但在我们这个世纪，这个巴贝奇想象中的机器却可以调用量子的力量。 20世纪20年代，量子物理学的演绎（“测不准”原理、量子纠缠、量子叠加、量子自旋、量子极化）使物理、化学、生物等多学科得到极大突破，也加速社会发展且深刻改变了人类生活、工作和学习的方方面面。这些理论也为我们现在的生活埋下伏笔。 在第二次世界大战中，阿伦·图灵的“通用图灵机”理论、约翰·冯·诺依曼的计算机架构，以及巨人计算机和电子数字积分计算机的建造终于使人类逐渐走进电子计算机的时代。但在过去七十年中，电子计算机即将发展到它的摩尔极限，但量子比特的介入将指数级提升计算机的能力……

布莱恩·克莱格(Brian Clegg)，英国理论物理学家，科普作家。克莱格曾在牛津大学研习物理，一生致力于将宇宙中奇特领域的研究介绍给大众读者。他是英国大众科学网站的编辑和英国皇家艺术学会会员。出版有科普书《量子时代》《量子纠缠》《科学大浩劫》《超感官》《十大物理学家》《麦克斯韦妖》《人类极简史》等。

他和妻子及两个孩子现居英格兰的威尔特郡。

章 幽灵引擎的说明（部分）

程序一：1843年

1840年，英国发明家和学者查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）在都灵做了几次演讲，他的主题是一种尚未建成的设备——分析引擎。巴贝奇出生于1791年，从他的父亲，一位金匠兼银行家那里继承了足够多的遗产，他从来不需要从事有报酬的工作。他喜欢沙龙式的社交生活， 也喜欢自己的工作。据说，他探索机械计算方法的灵感是出自帮助他的朋友、天文学家约翰·赫歇尔 （John Herschel） 检查天文表。这一经历极其乏味，据说巴贝奇大声地喊道：“我真希望这些计算是由蒸汽完成的！” 如果分析引擎真的建成了，它可能是世界上台现代意义上的计算机。巴贝奇一直在为赫歇尔扮演计算机的角色——也就是承担计算任务。“计算”这个术语至少可以追溯到 17世纪——只是在 20世纪中叶， 这个术语才从人类转移到机器身上。分析引擎完全是机械的，它的目的是在穿孔卡片上保存它自身的数据和程序①，而这些卡片是根据在提花 丝织机上所生产的复杂图案而设计的。这个分析引擎与其未建成的前身（巴贝奇从未完成的）差分机不同，差分机处理数据的指令是内置在机 器中的，分析机的指令可以根据需求变化。 两年后，一位不太重要的意大利军事工程师费德里科·路易吉（Federico Luigi）即梅纳布雷亚伯爵（Conte Menabrea，后来他出人意料地成为意大利总理）发表了一篇令人印象深刻的国际性的文章。这是一篇关于巴贝奇在都灵讲座的评论文章，用法语发表在瑞士出版物《日内瓦世界图书馆》（Bibliothèque Universelle de Genève）上。如果只有这篇回忆录，那本期刊无疑会迅速消失在默默无闻之中。然而，在1843年，它 被洛芙莱斯伯爵夫人（Countess of Lovelace）艾达·金（Ada King）翻译成英文。事实上，初的“翻译”文本与终呈现的文本相比明显薄弱，因为金添加了丰富的注释，使文章的长度增加了三倍，她推测了未构建的分析引擎的未来用途，并用这份文件描述了如何用它来为多项任务编制程序。 正是由于这份文件，通常被称为金的洛芙莱斯伯爵夫人获得了“世界上个计算机程序员”的声誉。毫无疑问，洛芙莱斯伯爵夫人成功 地将分析引擎的潜力带给了更广泛的受众，尽管在多大程度上她是个程序员一直有争议。可以肯定的是，能运行这些指令的机器从未被制 造出来——实际上，它不可能在当时的机械公差下被制造出来。因此，严格地说，这份文件包含了反映分析引擎结构的表格形式的算法，而不是现代意义上的计算机程序。

算法是结构化的指令，可以是沏一杯茶所需的一系列动作，也可以是解决数学问题的复杂数据操作。算法的执行可以不需要任何计算机，甚至手工操作，但也可以像这里的例子一样，通过与计算机体系结构非常匹配的方式构建。

“量子算法”早在量子计算机建成之前就已被写出来了。现在，世界各地有数百个实验室正在研究量子计算机，虽然制造它们是极其困难的。但我们已经看到量子计算机接近量子霸权。

在这本平易近人的书中，布莱恩·克莱格解释了算法和实现它的量子粒子，阐述了制造量子计算机所必需的物理硬件条件，揭示了当前量子计算机的能力。

——《爱尔兰科技新闻》（Irish Tech News）