1.2　世界上最小的“东西”是量子

1.2.1　分子、原子和量子，哪个最大？哪个最小

分子是由原子组成的。分子最大，量子最小。这三者之间有没有什么关系呢？

大家在上中学的物理和化学课时就知道：

质子＋中子＝原子核；

原子核＋电子＝原子；

原子＋原子＝分子；

原子失去或得到部分电子，就是离子。

至于等离子，这么说吧，带正电和负电的粒子，如原子核和电子，在一块，但又不组成原子，分散存在，这种状态叫作等离子状态，这种物体叫作等离子体。

总结一下，物质是由分子构成，分子是由原子构成，原子是由更小的粒子——质子、中子和电子构成。后来又有中微子、夸克。如今人类科技发现最小的粒子还有重子、强子、介子及超子等。基本粒子的结构关系与尺寸关系如图1-2所示。

如果你说搞不清楚，一定是上课睡觉梦见周公去了，可以考虑重新再上一回物理课。

1. 原子

原子（atom）指化学反应不可再分的基本微粒，原子在化学反应中不可分割，但在物理状态中可以分割。原子由原子核和绕核运动的电子组成。原子是构成一般物质的最小单位，同类原子统称为元素。已知的元素有118种。

2. 质子

质子（proton）是一种带1.6×10^-19C（库仑）正电荷的亚原子粒子，大约是电子质量的1836.5倍。原子核中质子数目决定其化学性质和它属于何种化学元素。

世界上原子不是最小的量子（量子是能量的单位），质子是带正电的小微粒，就是小粒子，中子是不带电的小粒子，两者都非常小。电子是带负电的小粒子，比质子和中子还小。光是由粒子构成的，每个粒子就叫作光子。

3. 夸克

夸克（quark）是一种参与强相互作用的基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子。强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来，只能够在强子里面找到。基于这个原因，人们对夸克的所知大都是间接地来自对强子的观测。

4. 量子

量子（quantum）是现代物理中的重要概念。量子不是粒子，它是计量能量的最小单位。

量子最早是普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这与以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论就是量子力学。

原子、分子、原子团、蛋白质这些微观的东西都属于量子力学研究的范畴。因为经典力学的定理和定律在这些微观的东西上都不适用。物理基本划分为三大块：研究微观物质的量子力学，研究现实平常东西的经典力学和研究强引力、高速度的天文学。

5. 量子与质子、原子之间的关系

其实量子的概念是把物质整数化（而不是小数化），不存在连续可分性，诸如有些人认为10cm的一半是5cm，5cm的一半是2.5cm，按道理你可以无限次分下去，但是量子的概念告诉我们这样分是有尽头的。

在物理学中，一个量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，我们就说它是量子化的。好比上台阶，只能上一个台阶，而不能上半个。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界，许多物理量是量子化的。例如氢原子中电子的能量只能取一个基本值——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. 量子力学

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个物体的状态，会给出它的明确位置；量子力学描述一个微观粒子的状态，给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里，也可能在那里，没有确定的位置。好比孙悟空的分身术，一个孙悟空能够同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。

举一个非常浅显的例子，在提款机你可以提100元、200元、300元等，这些都是100的倍数，不可以提105元或105.5元，因为提款机只出纸币，而不出硬币，105元或105.5元对提款机是没有意义的，不是说这个世界没有105元！只是提款机不能处理零钱。量子世界也是这样被量子化（quantization），在提款机上取出的钱都是100的倍数，而类似光子波长，我们用4000Å、4001Å等表示，它们都是1Å的倍数，是不是说没有4000.5Å波长的光呢？不是，只不过在量子力学中没有意义，波长只可以量子跃迁（quantum leap）的方法改变，它必须是某一个基本单位（例如1Å）的整数倍数。

7. 量子与原子、电子之间的不同

一个物理量如果有最小的单元且不可连续分割，就说这个物理量是量子化的，并把最小的单元称为量子。重要的事情说三遍，量子不是粒子，它代表最小单位的能量！

其基本概念是所有的有形性质也许是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值会是一些特定的数值，而不是任意值。例如，在“休息状态”的原子中，电子的能量是可量子化的，这能决定原子的稳定和一般问题。最小的能量值是一个能量子，它的数值，就是一个普朗克常量。构成光的最小能量叫光子。

以前研究的人发现能量的传递不是连续的，不是说想传递任意值的能量就能传递任意值的能量。人们发现能量的传递是一个数值的整数倍。发现能量也有小到不可再分的一份，必须得按这一份的整数倍传递。如果有类似温度计一样的能量计量装置，把它放大到能看到整个细节的时候，你会发现里面的“水银”不是像我们平常感觉到的连续下落，而是快速、一格一格地往下掉。一格就是一个量子。

当接触到能量子后，就不再有连续的概念。量子作为宇宙中最小的能量，一切东西都以量子的整数倍存在，没有变化是连续的。将现实世界以量子的眼光看，没有比量子还小的位移。你从这里走到那里，好像整个过程没有一个地方落下，其实你的身体动作都是一格一格地位移。你与人说话，感觉自己嘴唇是连续动，其实慢放到量子级。你的嘴唇是在一格一格地动。而格与格之间你并没接触过，也没有连续的线，那儿只是一个很密的点集，点与点之间距离最小为量子的点集。也没有连续的时间与空间。数学函数里的连续在现实中是讲不通的。将函数图像量子化，函数都是点集，哪来的连续？

8. 量子存在于原子哪里

量子是种广泛的概念，而不是一种具体的粒子。前面已经说过，量子不是粒子，它是计量能量的最小单位。量子力学认为物质（包括时空）都不是连续的，而是一份一份的，连电磁波也是一份一份的，即光量子。

1.2.2　量子计算机是什么

1. 量子计算机使用量子比特

量子计算机依赖出现在自然界的量子力学现象——基本上是物质的两种重要状态，名为叠加（superposition）和纠缠（entanglement）。物质的这些状态被用于计算时，有望提升对复杂数据集执行计算的能力。

这里的重要区别在于量子计算机不同于传统计算机，传统计算机是依赖晶体管的二进制数字电子计算机。

什么是晶体管？这个估计大家都知道，普通智能手机里面就有几十万个晶体管，晶体管可在两种状态之间切换：0或1，即开或关，从而计算信息。

量子计算机并不使用晶体管（或经典比特），而是使用量子比特（Qubit）。经典比特与量子比特的区别如图1-3所示。

量子比特是量子计算机中基本的信息单位。

量子比特可能是-1或1，也就是同时拥有这两个值的属性，这就叫叠加。所以，执行计算方面立即有了更多种可能性。

如今市面上最先进的量子计算技术可以使用多达1000量子比特。

另外，量子比特可以利用一种名为量子纠缠的状态，在这种状态中，成对或成组的量子粒子连接起来，那样每个粒子就无法独立于其他粒子加以描述，即便粒子之间隔着很远的距离（例如宇宙的两端）。

爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动”（spooky action at a distance），它正是量子传输的理论基础。

对于那些不是量子物理学家的普通人来说，重要的是，由于量子比特以及叠加和纠缠现象，量子计算机可以同时处理大量计算任务，而且速度比传统计算机快得多。

2. 量子技术的实际应用

首先，不妨来一个思维实验。设想一下你手拿一本电话簿，然后再设想你要在该电话簿中查询某个特定的电话号码。使用晶体管的经典计算机会搜索电话簿的每一行，直至找到并返回匹配号码。相比之下，由于拥有量子比特，量子计算机可以同时评估每一行，并返回结果，速度比经典计算机快得多，可以立即搜索整本电话簿。

因此，该技术可以应用于那些有无限变量的行业问题，那些变量组合构成一系列数量非常多的潜在解决方案。这些巨大的变量问题通常被称为优化问题。

例如，可以为中国每个春节回家过年的人（要知道，这是每年人类的最大迁徙）优化航线、机场时刻表、天气数据、燃料成本和乘客信息等，从而获得全中国总体来说最具有成本效益的解决方案。经典计算机需要几千年时间计算解决这个问题的最佳方案。从理论上说，每台量子计算机的量子比特数量增加后——这一幕已成为现实，量子计算机就可以在几小时内或更短时间内完成这项任务。

量子比特的发展速率以时间为轴，速度呈线性上升，如图1-4所示。

3. 量子计算机已经造出来了

加拿大D-Wave公司在几年前已经制作出世界上第一台商用量子计算机D-Wave Systems，位于加拿大温哥华的量子计算机如图1-5所示。这家公司被广泛视为量子计算的开路先锋和标准制定者。量子计算机容量日益增加这个现象被称为罗斯定律（Rose Law），该定律以D-Wave公司的首席技术官乔迪·罗斯（Geordie Rose）命名。

量子计算的罗斯定律就好比半导体处理器领域的摩尔定律。基本上，量子计算机的速度已经变得很快。

D-Wave公司处于量子计算商业应用的最前沿，但是有一些细节需要考虑。D-Wave公司还没有做出一款通用量子计算机。它好比是针对特定应用的处理器，经过了调优，旨在处理一项任务——解决离散优化问题。这对应于许多现实世界的应用领域，从金融、分子建模到机器学习，不一而足，但是它不会改变人们目前的个人计算任务。

在短期内，假设它会应用于科学超级计算任务和商业优化任务，可能会隐藏于互联网巨头的数据中心，改善图像识别及其他形式的近似人工智能的神奇任务。在大多数情况下，量子计算机对经典计算集群而言将是起到加速作用的协处理器。

D-Wave公司向谷歌之类的客户销售和出租量子计算机。据说这些机器的成本为1000~1500万美元。

就算D-Wave机器在大众使用上还没普及，IBM公司已经开始在提供“世界上第一个通过IBM云提供的量子计算平台”，旨在让公众可以发掘量子处理能力。

2017年11月，IBM公司公布了世界上第一台50量子比特的量子计算机。它诞生在一个实验室里，在一个巨大的白色箱子里，用泵保持它的最适宜温度，还有一些传统的计算机管理被启动的任务或算法。

这就是50量子比特的量子计算机样子！近距离观看，别具匠心，如图1-6所示。

在2017年的国际消费电子展上，IBM公司带来了内部结构——需要将信号发送到芯片上的电线和管道，从而让系统保持适宜的超低温温度。从远处看，它就像是蒸汽朋克的枝形吊灯，或者是一系列错综复杂的管子和电线，最终达到底部的一个小钢瓶。

事实上，它是有史以来最复杂的量子计算机之一。处理器内部有50量子比特，它们以一种突破传统计算机的革命方式进行任务处理。通常，信息被创建并存储为一系列的1和0。

量子比特可以同时表示两个值（被称为叠加），这意味着量子计算机可以同时对两者进行测试。添加更多的量子比特，这种计算能力会增加到令人难以置信的程度。

IBM公司的研究人员介绍说，最大的挑战是将芯片从不需要的噪声中分离，包括电、磁和热噪声。

1.2.3　量子计算将在我们有生之年普及

在科学技术领域，人们多年来一直对研发量子计算机充满热情，但它还尚未走进我们的日常生活。可是量子计算机从科学理论转向大众普及，也许并不需要30年那么长时间。很快我们会开始发现量子计算机能在更广泛的范围内发挥作用，包括物质科学、化学领域、物理系统、人工智能和机器学习等。量子系统可以无缝地加密数据，并帮助人们对已经收集到的大量数据进行理解分析，甚至能够解决即使是最强大的超级计算机也无法解决的复杂问题，如医疗诊断和天气预报。目前尚未成熟的量子技术正在变得更加接近人们想要的技术水准了。

量子计算机的核心是什么样的呢？

如果你走进一个带有量子机器的房间，你会看到一个真空室或导管，以及一束照射到它的激光，而且在本体里面有一个很低密度的特定的原子。人们使用激光减缓非常接近能量绝对值为零的原子运动，这就是激光冷却。目前，系统需要的环境温度大约需要接近绝对零度，系统需要保持适宜的超低温温度的部分如图1-7所示。

量子计算机最有可能的应用是什么？

说实话，目前没有确定的答案。一般认为，量子计算机不一定会对所有的计算任务有帮助。即使是最好的传统计算机也有在数学问题上难以解决的时候。这就像假设你想给一群人送一种礼物，而每个人都有自己感兴趣的东西，所以对于这个礼物来说，这些不同的兴趣点可能是矛盾的。

所以会发生的是，如果你用传统的方式解决这个问题，你必须对这群人每一对或三个一组进行检查，以确保至少他们的兴趣点是满意的。这个问题的复杂性非常迅速地增长，因为你需要检查的经典的组合数量是以指数计算的。这里有一些人相信，对于这类问题，量子计算机比传统计算机更有优势。

实际上，量子计算机的一个重要意义在于，我们已经建立了足够大、足够复杂、足够量的机器帮助我们进行科学实验，即使是世界上最好的传统计算机，例如超级计算机也不可能完成量子计算机进行的科学实验。

在实践中，量子计算机和传统计算机将可能携手合作。事实上，最可能的情况是，大部分主要的工作是由传统计算机完成的，但是其中一些最困难的问题，可以通过量子计算机解决。

另外，还有一个领域就是量子通信，它可以使量子态在站与站之间进行传输。而且，通过这些量子网络（有时也被称为量子互联网），人们能够远程访问量子服务器。这样，当然可以想象量子计算机可以进入日常生活的许多可能性，即使你不能把它放在自己的口袋里。

我们还不知道量子计算机将如何做到上面说的这些，但可以相信，很快就会知道的。