人们对量子力学所知的唯一一点，便是其传奇般的怪异性：它所描述的世界的基本原理，在我们所处的世界看来十分陌生。叠加态指事物可同时处于两种状态，例如一个开关既开又关，一只 既死又活的猫。还有纠缠，即爱因斯坦所称的“鬼魅般的超距作用”，指物体即便相隔极远，也会以无形的方式相互关联。
不过，无论怪异与否， 量子理论已有近一个世纪的历史 ，并已在日常生活中找到诸多应用。正如约翰·冯·诺依曼所说：“你并不理解量子力学，你只是习惯了它。”电子学的大部分内容都建立在量子物理之上，而将量子理论应用于计算，可能为当今我们所见的复杂运算和数据处理开辟巨大的可能性。
试想一种能够利用叠加态的计算机处理器，可同时计算复杂问题中任意多种排列组合的结果。再设想纠缠如何能够使分处世界两端的系统彼此关联，并将其运算成果汇合在一起，尽管它们在物理上相隔遥远。量子计算潜力巨大，能够轻松应对一些最艰巨的任务，例如模拟人体对药物的反应、预测天气模式，或分析大型数据集。
这类处理能力确有必要。最早的晶体管仅能勉强握在手中，而如今它们的尺寸仅为14纳米，比一个红细胞小500倍。这种持续不断的微缩，由英特尔创始人戈登·摩尔预言，并被称为 摩尔定律，已持续50年，但不可能无限延续。硅材料的微缩空间终有限度，若要继续获得我们已习惯的性能提升，我们需要一种不同的路径。
量子制造
半导体制造技术的进步，使大规模生产量子尺度半导体成为可能——这类电子电路会呈现叠加和纠缠等量子效应。
该图像以原子尺度拍摄，显示了一种可能构成量子计算机基本单元的候选结构——半导体纳米环的横截面。被困于这些环中的电子表现出量子力学的奇异特性，半导体制造工艺已准备好整合构建量子计算机所需的这些元件。尽管我们或许能够利用此类结构构建量子计算机，但其中仍涉及重大挑战。
在经典计算机处理器中，数量庞大的晶体管彼此之间以有条件且可预测的方式相互作用。但量子行为极为脆弱；例如，在量子物理中，即便只是测量系统的状态（比如检查开关是开还是关），也会实际改变所观测的对象。要协调一组量子系统，使其产生经典计算机难以处理的有用输出，极其困难。
但投入规模已相当可观，例如 英国政府宣布为量子技术提供2.7亿英镑资金 （时间为2014年），另有 谷歌、美国国家航空航天局和洛克希德·马丁等 机构也在该领域开展工作。进展速度难以预测，但一台实用的量子计算机或许仍需十年。
量子计算的基本单元称为量子比特，相当于传统计算机所用比特的量子对应物。迄今为止，科学家已通过多种方式以量子系统表示量子比特，包括钻石中的缺陷、半导体纳米结构或微小的超导电路。这些方式各有优劣，但尚无一种能够满足量子计算机的全部要求，这些要求被称为 DiVincenzo Criteria。
最令人瞩目的进展来自D-Wave Systems公司，该公司已成功将数百个量子比特集成到一块外观与传统处理器相似的小型芯片上。
量子保密
然而，利用量子技术的益处并不局限于计算领域。无论量子计算是否会扩展或增强数字计算，同样的量子效应都可用于其他用途。其中最成熟的例子是量子通信。
有人提出，可利用量子物理防止钞票或钻石等贵重物品被伪造，如下图所示。在此，量子物理中固有的、不同寻常的限制性规则发挥了作用：未知量子态无法被完美复制，且测量会改变被测量的系统。这两项限制相结合，使得该方案中所存储物体的身份无法被复制。
关于 量子货币 的构想遗憾地实用性极低，但同样的思路已成功延伸至通信领域。其原理十分简明：测量量子叠加态的行为会改变所要测量的对象，因此可以探测到进行此类测量的窃听者的存在。采用正确的协议（例如 BB84）即可实现私密通信，且这种私密性由物理学基本定律加以保障。
目前已有企业提供商用量子通信系统，例如 东芝 和 ID Quantique。尽管目前其实现方式笨重且成本高昂，但它将变得更加精简、小型化，正如晶体管在过去60年间实现了小型化一样。
纳米尺度制造技术的改进将极大加速基于量子的技术的发展。尽管实用的量子计算似乎仍有一段距离，但其未来确实令人十分振奋。
本文与 The Conversation合作发表。刊发并不意味着世界经济论坛认可文中观点。
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作者：Robert Young，兰卡斯特大学研究员兼讲师。
图片：一片12英寸晶圆在台湾 Xinchu 的台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）展出。REUTERS/Richard Chung
