量子计算是什么？量子计算机做什么？ - 彭博社

量子计算机的一部分。摄影师：斯文·霍普/图片联盟/盖蒂图片社四十年前，物理学家们理论上认为，量子物理的令人费解的机制可以被利用来制造一种新型计算机，其性能比传统机器强大得多。一系列突破现在使“量子实用性”更接近现实。开发足够准确的机器以忠实模拟复杂现实现象的行为，并在药物开发、金融建模和人工智能等各个领域实现飞跃的竞赛正在进行中。

量子计算机的吸引力是什么？

它们可以做传统计算机无法做到的事情。谷歌在12月透露，其最新的量子处理器威洛在五分钟内解决了一个问题，即使是世界上最强大的超级计算机也无法解决，即使它们从宇宙开始就一直在处理这个问题。

实验性量子计算机通常被赋予传统计算机无法处理的任务，因为变量输入太多。它们的最大潜力在于建模涉及大量运动部件的复杂系统，这些部件的特性在相互作用时会发生变化。例如，它们可能会复制分子的行为，以加速新药的开发，或模拟经济参与者和金融中介的决策，以使市场预测更准确。

量子计算机预计在大多数今天的计算机所完成的繁琐但简单的工作中不会有太大用处，这些计算机在大规模上顺序处理相对有限数量的孤立输入。

谁在制造量子计算机？

D-Wave Quantum Inc.，一家在加利福尼亚州总部的加拿大创办公司，于2011年成为首个销售量子计算机的公司。国际商业机器公司、Alphabet Inc.的谷歌、亚马逊网络服务以及众多初创公司都已创建了可工作的量子计算机。

最近，像微软公司这样的公司在构建可扩展和实用的量子超级计算机方面取得了进展。英特尔公司开始向研究人员发货一种硅量子芯片，该芯片具有晶体管，称为量子比特（qubits），其尺寸比其他类型的量子比特小多达100万倍。

谷歌和IBM，以及初创公司Universal Quantum和PsiQuantum Corp.，声称他们将在本十年末交付一台有用的量子超级计算机。中国正在建设一个价值100亿美元的国家量子信息科学实验室，作为该领域的重大推动的一部分。

量子计算机是如何工作的？

它们使用微小的电路进行计算，传统计算机也是如此。但它们以并行方式进行这些计算，而不是顺序进行，这使得它们如此快速。普通计算机以称为比特的单位处理信息，比特可以表示两种可能状态之一——0或1——这对应于计算机芯片上称为逻辑门的部分是打开还是关闭。在传统计算机处理下一条信息之前，它必须为前一条信息分配一个值。

相比之下，由于量子力学的“概率”特性，量子计算机中的量子比特在计算完成之前不必被赋予值。这被称为“叠加态”。因此，传统计算机中的三个比特只能表示八种可能性之一——000、001、010、011、100、101、110和111——而一个具有三个量子比特的量子计算机可以同时处理所有这些可能性。理论上，一个具有4个量子比特的量子计算机可以处理的信息量是同等大小的传统计算机的16倍，并且每增加一个量子比特，其计算能力将翻倍。这就是为什么量子计算机能够处理比经典计算机多得多的信息。

为什么量子计算会更快

像破解加密或绘制分子结构这样的难题可能需要筛选数百万种可能性。

它是如何返回结果的？

在设计标准计算机时，工程师花费大量时间确保每个比特的状态与其他比特的状态相互独立。但量子比特是纠缠的，这意味着一个量子比特的属性依赖于周围量子比特的属性。这是一个优势，因为信息可以在量子比特之间更快地传递，因为它们共同工作以得出解决方案。当量子算法运行时，来自量子比特的矛盾（因此不正确）结果会相互抵消，而兼容（因此可能）结果会被放大。这种现象称为相干性，使计算机能够输出它认为最有可能正确的答案。

如何制作量子比特？

理论上，任何表现出量子力学特性且可以被控制的东西都可以用来制作量子比特。许多量子比特是由半导体制成的，IBM、D-Wave和谷歌使用微小的超导线圈。一些科学家通过操控被捕获的离子、光子脉冲或电子自旋来创建量子比特。这些方法中的许多需要非常特殊的条件，例如比深空中发现的温度更低的温度。

需要多少量子比特？

很多。尽管量子比特可以处理比经典比特多得多的信息，但它们固有的不确定性使得它们容易出错。当量子比特之间失去相干性时，错误会潜入它们的计算中。理论家们正在努力开发算法来纠正其中的一些错误。但修复的一个不可避免的部分是增加更多的量子比特。

科学家估计，一台计算机需要数百万——如果不是数十亿——量子比特才能可靠地运行适合商业使用的程序。目前连接的量子比特记录是1,180，由加利福尼亚初创公司Atom Computing在2023年10月创造——是之前记录433的两倍多，由IBM设定于2022年11月。将足够多的它们粘在一起是主要挑战。随着计算机体积的增大，它会发出更多的热量，这使得量子比特更容易失去相干性。谷歌的Willow芯片被视为突破，因为即使在更多量子比特聚集在一起时，错误率也下降了。

我什么时候能得到我的量子计算机？

这取决于你想用它做什么。学术界已经通过基于云的IBM量子平台在100个量子比特的机器上解决问题，公众可以 试用（如果你知道如何开发量子代码）。科学家们的目标是在未来十年内交付一种适合商业应用的所谓“通用”量子计算机。

量子计算机巨大的问题解决能力的一个潜在缺点是它们可能 轻易破解经典加密系统。或许我们距离广泛的量子计算的最佳指示是，各国政府正在 签署指令，企业也在投入数百万美元以保护传统计算系统免受量子机器的破解。

参考资料

• IBM的 初学者指南 量子计算机。
• 在谷歌的Willow突破之后，彭博社编辑讨论了量子计算是否终于 成为现实。
• 麻省理工学院技术评论 探讨 量子计算机的可能用途。
• 麦肯锡展示了 不同的方式 来设计量子比特。