什么是量子計(jì)算機(jī)，離我們有多遠(yuǎn)？

量子計(jì)算機(jī)這個(gè)詞最近越來越流行，每年有大量的資金用于它的研究。雖然普通民眾意識(shí)到這一領(lǐng)域正在進(jìn)行研究，但沒有多少人真正意識(shí)到其背后的復(fù)雜性和工作原理。本文旨在對(duì)其涉及的原理、面臨的問題以及解決這些問題的方案提供一個(gè)基本的概述?；旧?，量子計(jì)算使用諸如疊加和糾纏的量子力學(xué)現(xiàn)象來執(zhí)行計(jì)算。

量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)嶋H上是量子信息科學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域，包括量子密碼學(xué)和量子通信。量子計(jì)算始于上世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)理查德·費(fèi)曼和尤里·馬寧提出，量子計(jì)算機(jī)有潛力模擬經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法模擬的東西。1994年，Peter Shor發(fā)表了一種算法，能夠有效地解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的非對(duì)稱密碼學(xué)中的問題。

目前物理上實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)有兩種主要方法:模擬和數(shù)字。

模擬方法進(jìn)一步分為量子模擬、量子退火和絕熱量子計(jì)算。

數(shù)字量子計(jì)算機(jī)使用量子邏輯門進(jìn)行計(jì)算。

這兩種方法都使用量子比特或量子位。

量子位是量子計(jì)算的基礎(chǔ)，有點(diǎn)類似于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特。量子位可以處于1或0量子狀態(tài)。但是它們也可以是1和0狀態(tài)的疊加。然而，當(dāng)測(cè)量量子位時(shí)，結(jié)果總是0或1。這兩種結(jié)果的概率取決于它們所處的量子態(tài)。

當(dāng)今物理量子計(jì)算機(jī)噪聲很大，量子誤差校正是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。不幸的是，現(xiàn)有的硬件噪音太大，容錯(cuò)量子計(jì)算仍然是一個(gè)相當(dāng)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想。截至2019年4月，尚未展示大型可擴(kuò)展量子硬件，也沒有針對(duì)當(dāng)今小型嘈雜的量子計(jì)算機(jī)發(fā)布商業(yè)上有用的算法。政府、老牌公司和初創(chuàng)企業(yè)對(duì)量子計(jì)算的投資越來越多。無論是近期中等規(guī)模裝置的應(yīng)用，還是量子至上的論證，都在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了積極的探索。

量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)中一些近乎神秘的現(xiàn)象，在處理能力上實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。量子機(jī)器有望超越當(dāng)今乃至未來最有能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

不過，它們不會(huì)消滅傳統(tǒng)的電腦。對(duì)于解決大多數(shù)問題，使用經(jīng)典機(jī)器仍然是最簡(jiǎn)單和最經(jīng)濟(jì)的解決方案。但量子計(jì)算機(jī)有望在材料科學(xué)和藥物研究等各個(gè)領(lǐng)域取得令人振奮的進(jìn)展。一些公司已經(jīng)在用它們進(jìn)行試驗(yàn)，開發(fā)更輕、更強(qiáng)大的電動(dòng)汽車電池，并幫助開發(fā)新的藥物。

今天的計(jì)算機(jī)使用比特——一種表示1或0的電脈沖或光脈沖流。你的音樂，游戲，視頻等等基本上都是由這些二進(jìn)制數(shù)字組成的長(zhǎng)串。

另一方面，量子計(jì)算機(jī)使用量子位，其通常是亞原子粒子，如電子或光子。生成和管理量子位是一項(xiàng)科學(xué)和工程上的挑戰(zhàn)。一些公司，如IBM、谷歌和Rigetti Computing，使用的超導(dǎo)電路冷卻溫度比深空還要低。其他的，比如IonQ，將電磁場(chǎng)中的單個(gè)原子困在超高真空室的硅片上。在這兩種情況下，目標(biāo)是將量子位隔離在受控量子態(tài)。

量子位具有一些奇特的量子特性，一組相互連接的量子位可以提供比相同數(shù)量的二進(jìn)制位更多的處理能力。其中一個(gè)性質(zhì)叫做疊加，另一個(gè)叫做糾纏。

量子位可以同時(shí)表示1和0的多種可能組合。這種同時(shí)處于多種狀態(tài)的能力稱為疊加。為了把量子位疊加起來，研究人員使用精確的激光或微波光束來操縱它們。

由于這一違反直覺的現(xiàn)象，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理大量的潛在結(jié)果，而量子計(jì)算機(jī)的多個(gè)量子位是疊加的。計(jì)算的最終結(jié)果只有在量子位被測(cè)量之后才會(huì)出現(xiàn)，這將立即導(dǎo)致量子位的量子態(tài)崩潰并恢復(fù)到1或0。

研究人員可以生成具有量子糾纏的一對(duì)量子位，這意味著一對(duì)量子位的兩個(gè)成員存在于一個(gè)量子態(tài)中。改變其中一個(gè)量子位的狀態(tài)，就會(huì)以一種可預(yù)測(cè)的方式，瞬間改變另一個(gè)量子位的狀態(tài)。即使它們相隔很遠(yuǎn)，也會(huì)發(fā)生這種情況。

沒有人真正知道糾纏是如何或?yàn)槭裁雌鹱饔玫?。這一現(xiàn)象也讓愛因斯坦感到困惑，他曾將其描述為“遠(yuǎn)距離的幽靈行為”。但這對(duì)量子計(jì)算機(jī)的能力來說是必不可少的。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中，比特?cái)?shù)增加一倍，處理能力也會(huì)增加一倍。但由于糾纏，給量子機(jī)器增加額外的量子位，使其數(shù)字運(yùn)算能力呈指數(shù)增長(zhǎng)。

量子計(jì)算機(jī)利用量子菊花鏈中的糾纏量子位來執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。機(jī)器使用特別設(shè)計(jì)的量子算法來加速計(jì)算的能力是釋放其潛力的關(guān)鍵。

然而，盡管量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)顯而易見，但壞消息是，由于退相干，量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更容易出錯(cuò)。

量子位與其周圍環(huán)境的相互作用會(huì)導(dǎo)致其量子行為衰減并最終消失，這種作用被稱為退相干。它們的量子態(tài)極其脆弱。最輕微的振動(dòng)或溫度變化——量子術(shù)語中稱為“噪音”的干擾——可能會(huì)導(dǎo)致它們?cè)谡９ぷ髦皬寞B加中跌落出來。這就是為什么研究人員在那些過冷的冰箱和真空室里盡力保護(hù)量子位不受外界干擾。

盡管他們做出了努力，噪聲仍然會(huì)在計(jì)算中造成許多錯(cuò)誤。智能量子算法可以補(bǔ)償其中的一些，增加更多的量子位也有幫助。然而，可能需要數(shù)千個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量子位來創(chuàng)建一個(gè)單一的、高度可靠的量子位，即邏輯量子位。這反過來又消耗了量子計(jì)算機(jī)的大量計(jì)算能力。

到目前為止，研究人員還不能生成超過128個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯量子位，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的需要。所以，我們離量子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段時(shí)間。

盡管有退相干的缺點(diǎn)，所有從事量子計(jì)算機(jī)研究的公司和研究人員的目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)。在這一點(diǎn)上，量子計(jì)算機(jī)可以完成一個(gè)即使是最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法完成的數(shù)學(xué)計(jì)算。

目前還不清楚需要多少量子位才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因?yàn)檠芯咳藛T一直在尋找新的算法來提高經(jīng)典機(jī)器的性能，超級(jí)計(jì)算硬件也在不斷改進(jìn)。研究人員和公司正在努力爭(zhēng)取對(duì)世界上一些最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

在研究領(lǐng)域，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一里程碑式的成就究竟有多大意義，存在著大量的爭(zhēng)論。與其坐等稱王稱霸，許多公司已經(jīng)開始試驗(yàn)IBM、Rigetti、D-Wave、阿里巴巴等公司生產(chǎn)的量子計(jì)算機(jī)。一些企業(yè)甚至在購買目前體積龐大的量子計(jì)算機(jī)，而其他大多數(shù)企業(yè)則在使用通過云計(jì)算服務(wù)提供的計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)最有前途的應(yīng)用之一是在分子水平上模擬物質(zhì)的行為。大眾和戴姆勒等汽車制造商正在使用量子計(jì)算機(jī)來模擬電動(dòng)汽車電池的化學(xué)成分，以幫助尋找提高電池性能的新方法。制藥公司正利用它們來分析和比較可能導(dǎo)致新藥誕生的化合物。

這些機(jī)器在優(yōu)化問題上也很出色，因?yàn)樗鼈兡芤詷O快的速度處理大量潛在的解決方案。例如，空中客車正利用它們來幫助計(jì)算飛機(jī)最省油的上升和下降路徑。大眾汽車也推出了一項(xiàng)服務(wù)，可以計(jì)算出城市公交和出租車的好路線，以減少擁堵。一些研究人員還認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)可以用來加速人工智能的發(fā)展。

量子計(jì)算機(jī)要完全發(fā)揮其潛力可能需要好幾年的時(shí)間。從事這些研究的大學(xué)和企業(yè)正面臨該領(lǐng)域熟練研究人員的短缺，以及一些關(guān)鍵零部件供應(yīng)商的短缺。最有希望的發(fā)展如納米棒可以為量子電路提供潛在的冷卻解決方案并可能減少退相干。但對(duì)于潛在的消費(fèi)級(jí)量子計(jì)算機(jī)而言，這一技術(shù)的任何實(shí)際應(yīng)用至少還需要10到15年的時(shí)間。如果這些新奇的新型計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)它們的承諾和期望，它們就能引領(lǐng)一個(gè)創(chuàng)新的時(shí)代，并可能改變整個(gè)行業(yè)！

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