量子计算机距广泛应用还远吗

2025-01-26

【今日视点】

◎本报记者张佳欣

1981年，诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼在美国麻省理工学院发表了一场演讲。他提出了一个前所未有的想法：利用量子力学的奇异特性来进行计算。费曼的这一理念犹如一颗开创性的种子，为量子计算领域的兴起奠定了基础。

但是，历经多年迅猛发展，物理学家们仍未打造出既适用于日常使用又能在正常条件下稳定运行的实用量子计算机。

不过，就在近日，澳大利亚《对话》杂志刊文称，实用的量子计算机即将实现。微软公司也认为，是时候为量子计算机时代做准备了。

那么，量子计算机有哪些优势？人们距离量子计算机的广泛应用还有多远的路程呢？

能快速找到最佳解决方案

一次性洞悉一个问题的全部潜在解决方案，就像被赋予了一种超能力，可以在错综复杂的迷宫中同步探索所有潜在路径，从而迅速锁定正确出口。基于这样的设想，量子计算机在追寻最优解的过程中展现出惊人的速度，无论是寻找最短路径，还是解决问题的最快方式，皆能轻松应对，游刃有余。

举个例子，航空公司需要在航班延误或意外事件后重新安排航班，这是现实生活中时常遇到的问题，但其解决方案往往并非最优。为了计算出最佳的应对措施，经典计算机需要逐一考虑所有可能的航班调整方案，其复杂程度令人咋舌。

然而，量子计算机却能一次性尝试所有这些可能性，让最佳配置自然而然地浮出水面。此外，量子比特还具有一种被称为纠缠的物理特性。当量子比特纠缠在一起时，一个量子比特的状态可以影响另一个量子比特的状态，无论它们相隔多远。这一特性同样是经典计算机所不具备的，这使得量子计算机比经典计算机能以指数级的速度解决某些问题。

会完全取代经典计算机吗

量子计算机在解决特定问题方面具有得天独厚的优势，如模拟分子间的相互作用、从多个选项中找到最佳解决方案或处理加密和解密等。但它们并不适用于每种类型的任务。

经典计算机按照线性顺序依次处理每个计算，遵循经典算法，这使得它们具有很强的可预测性，稳健且不易出错。对于日常计算需求，如文字处理或浏览互联网等，经典计算机仍将在较长时间内继续占据主导地位。

这至少有两个原因。第一个原因在于实用性。要想打造一台能稳定计算的量子计算机，简直难如登天。量子世界极不稳定，量子比特极易受到周围环境诸如电磁辐射等因素的侵扰，稍有不慎便会出错。

第二个原因在于处理量子比特时固有的不确定性。量子比特处于叠加态，既不是0也不是1，因此它们不像经典计算中那样可预测。因此，物理学家用概率来描述量子比特及其计算。这意味着，即便是使用相同的量子算法，在相同的量子计算机上反复求解同一问题，也可能会每次都得到截然不同的答案。

为了应对这种不确定性，量子算法通常会运行多次。然后，研究人员会对这些结果进行统计分析，以确定最可能的正确答案。利用这种方法研究人员才能从量子计算中提取出有意义的信息。

未来十年或将大放光彩

从商业角度来看，量子计算机的发展仍处于萌芽阶段，但格局已初具规模。每年都有众多新公司如雨后春笋般涌现，其中不乏像IBM和谷歌这样的行业巨头，也有如IQM、Pasqal以及Alice和Bob等初创企业崭露头角。他们都在致力于使量子计算机更加可靠、可扩展且易于访问。

过去，制造商常以量子计算机中的量子位数量作为衡量机器性能的指标，如今，他们越来越重视找到纠正量子计算机容易出错的方法。这一转变对于开发大规模、容错性强的量子计算机至关重要，这些技术对于提高其可用性至关重要。

谷歌最新的量子芯片Willow在这一领域取得了显著进展。谷歌在Willow中使用的量子比特越多，错误率就越低。这标志着在构建能彻底改变医学、能源和人工智能等领域的商业量子计算机方面迈出了重要一步。