什么是量子计算机，离我们有多远？

量子计算机这个词最近越来越流行，每年有大量的资金用于它的研究。虽然普通民众意识到这一领域正在进行研究，但没有多少人真正意识到其背后的复杂性和工作原理。本文旨在对其涉及的原理、面临的问题以及解决这些问题的方案提供一个基本的概述。基本上，量子计算使用诸如叠加和纠缠的量子力学现象来执行计算。

量子计算领域实际上是量子信息科学的一个子领域，包括量子密码学和量子通信。量子计算始于上世纪80年代初，当时理查德·费曼和尤里·马宁提出，量子计算机有潜力模拟经典计算机无法模拟的东西。1994年，Peter Shor发表了一种算法，能够有效地解决一些经典计算机难以解决的非对称密码学中的问题。

目前物理上实现量子计算机有两种主要方法:模拟和数字。

模拟方法进一步分为量子模拟、量子退火和绝热量子计算。

数字量子计算机使用量子逻辑门进行计算。

这两种方法都使用量子比特或量子位。

量子位是量子计算的基础，有点类似于经典计算机中的比特。量子位可以处于1或0量子状态。但是它们也可以是1和0状态的叠加。然而，当测量量子位时，结果总是0或1。这两种结果的概率取决于它们所处的量子态。

当今物理量子计算机噪声很大，量子误差校正是一个新兴的研究领域。不幸的是，现有的硬件噪音太大，容错量子计算仍然是一个相当遥远的梦想。截至2019年4月，尚未展示大型可扩展量子硬件，也没有针对当今小型嘈杂的量子计算机发布商业上有用的算法。政府、老牌公司和初创企业对量子计算的投资越来越多。无论是近期中等规模装置的应用，还是量子至上的论证，都在学术界和工业界得到了积极的探索。

量子计算机利用量子力学中一些近乎神秘的现象，在处理能力上实现了巨大的飞跃。量子机器有望超越当今乃至未来最有能力的超级计算机。

不过，它们不会消灭传统的电脑。对于解决大多数问题，使用经典机器仍然是最简单和最经济的解决方案。但量子计算机有望在材料科学和药物研究等各个领域取得令人振奋的进展。一些公司已经在用它们进行试验，开发更轻、更强大的电动汽车电池，并帮助开发新的药物。

今天的计算机使用比特——一种表示1或0的电脉冲或光脉冲流。你的音乐，游戏，视频等等基本上都是由这些二进制数字组成的长串。

另一方面，量子计算机使用量子位，其通常是亚原子粒子，如电子或光子。生成和管理量子位是一项科学和工程上的挑战。一些公司，如IBM、谷歌和Rigetti Computing，使用的超导电路冷却温度比深空还要低。其他的，比如IonQ，将电磁场中的单个原子困在超高真空室的硅片上。在这两种情况下，目标是将量子位隔离在受控量子态。

量子位具有一些奇特的量子特性，一组相互连接的量子位可以提供比相同数量的二进制位更多的处理能力。其中一个性质叫做叠加，另一个叫做纠缠。

量子位可以同时表示1和0的多种可能组合。这种同时处于多种状态的能力称为叠加。为了把量子位叠加起来，研究人员使用精确的激光或微波光束来操纵它们。

由于这一违反直觉的现象，一台量子计算机可以同时处理大量的潜在结果，而量子计算机的多个量子位是叠加的。计算的最终结果只有在量子位被测量之后才会出现，这将立即导致量子位的量子态崩溃并恢复到1或0。

研究人员可以生成具有量子纠缠的一对量子位，这意味着一对量子位的两个成员存在于一个量子态中。改变其中一个量子位的状态，就会以一种可预测的方式，瞬间改变另一个量子位的状态。即使它们相隔很远，也会发生这种情况。

没有人真正知道纠缠是如何或为什么起作用的。这一现象也让爱因斯坦感到困惑，他曾将其描述为“远距离的幽灵行为”。但这对量子计算机的能力来说是必不可少的。在传统的计算机中，比特数增加一倍，处理能力也会增加一倍。但由于纠缠，给量子机器增加额外的量子位，使其数字运算能力呈指数增长。

量子计算机利用量子菊花链中的纠缠量子位来执行计算任务。机器使用特别设计的量子算法来加速计算的能力是释放其潜力的关键。

然而，尽管量子计算机的优势显而易见，但坏消息是，由于退相干，量子计算机比经典计算机更容易出错。

量子位与其周围环境的相互作用会导致其量子行为衰减并最终消失，这种作用被称为退相干。它们的量子态极其脆弱。最轻微的振动或温度变化——量子术语中称为“噪音”的干扰——可能会导致它们在正常工作之前从叠加中跌落出来。这就是为什么研究人员在那些过冷的冰箱和真空室里尽力保护量子位不受外界干扰。

尽管他们做出了努力，噪声仍然会在计算中造成许多错误。智能量子算法可以补偿其中的一些，增加更多的量子位也有帮助。然而，可能需要数千个标准量子位来创建一个单一的、高度可靠的量子位，即逻辑量子位。这反过来又消耗了量子计算机的大量计算能力。

到目前为止，研究人员还不能生成超过128个标准逻辑量子位，这远远不能满足执行复杂任务的需要。所以，我们离量子计算机的广泛应用还有很长一段时间。

尽管有退相干的缺点，所有从事量子计算机研究的公司和研究人员的目标都是实现量子优势。在这一点上，量子计算机可以完成一个即使是最强大的超级计算机也无法完成的数学计算。

目前还不清楚需要多少量子位才能实现这一目标，因为研究人员一直在寻找新的算法来提高经典机器的性能，超级计算硬件也在不断改进。研究人员和公司正在努力争取对世界上一些最强大的超级计算机进行测试。

在研究领域，对于实现这一里程碑式的成就究竟有多大意义，存在着大量的争论。与其坐等称王称霸，许多公司已经开始试验IBM、Rigetti、D-Wave、阿里巴巴等公司生产的量子计算机。一些企业甚至在购买目前体积庞大的量子计算机，而其他大多数企业则在使用通过云计算服务提供的计算机。

量子计算机最有前途的应用之一是在分子水平上模拟物质的行为。大众和戴姆勒等汽车制造商正在使用量子计算机来模拟电动汽车电池的化学成分，以帮助寻找提高电池性能的新方法。制药公司正利用它们来分析和比较可能导致新药诞生的化合物。

这些机器在优化问题上也很出色，因为它们能以极快的速度处理大量潜在的解决方案。例如，空中客车正利用它们来帮助计算飞机最省油的上升和下降路径。大众汽车也推出了一项服务，可以计算出城市公交和出租车的好路线，以减少拥堵。一些研究人员还认为量子计算机可以用来加速人工智能的发展。

量子计算机要完全发挥其潜力可能需要好几年的时间。从事这些研究的大学和企业正面临该领域熟练研究人员的短缺，以及一些关键零部件供应商的短缺。最有希望的发展如纳米棒可以为量子电路提供潜在的冷却解决方案并可能减少退相干。但对于潜在的消费级量子计算机而言，这一技术的任何实际应用至少还需要10到15年的时间。如果这些新奇的新型计算机能实现它们的承诺和期望，它们就能引领一个创新的时代，并可能改变整个行业！

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