“飞棍”、成像技术趋势与量子计算机

 “飞棍”是于1994年3月在美国首度被发现的，当时一名摄影师整理影片时，无意中发现这种东西在片段内高速略过。之后世界各地均有人以照相机拍到“飞棍”，可以知道“飞棍”在地球上无处不在。

有关“飞棍”的传说中告诉我们一个常识，运动的绝对性与静止的相对性问题，也就是当两个高速运动的物体A与B以同样的速度，同一个方向运动的时候，在A与B彼此看来是静止的。之所以人们知道是高速运动，就是存在除A、B外的第3个观察者C。这种解释是一种自我安慰性质的。

所谓的“飞棍”是一种光学现象。这种现象是由于摄像设备本身的取像频率较慢，而人的眼睛相对于摄像设备而言更加灵敏，眼睛的成像比较快，如果再加上长焦镜头进行远拍的话，可能飞棍还会变大。所以，相对于相对不灵敏的设备而言，飞棍是一种真实的存在，而相对于人作为观察者而言，飞棍只不过是一种假象。

我们所要关心的是其技术基础，也就是成像技术的有关的技术基础问题。假如摄像设备的灵敏度等于人的视力的灵敏度，则“飞棍”不会存在。这个就为一切成像技术提出了进一步发展的要求。

目前成像的前沿技术基础依赖于数字技术。量子计算机是一个典型代表。所谓的量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

 无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

现在回来再看成像技术，那么我们是否能够研制出技术的灵敏度等于或大大高于人的视力和镜子的成像技术设备呢？如果可以，那么我们不通过这些设备是否能够看到某物体的存在？