什么是量子計(jì)算？

量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中使用量子理論原理的一個(gè)分支。量子理論在原子和亞原子水平上解釋了能量和物質(zhì)的反應(yīng)行為。量子計(jì)算使用亞原子粒子，如電子或光子。量子比特（Quantum bits）讓這些粒子同時(shí)以一種以上的狀態(tài)（即1和0）存在。理論上，連接量子位可以“利用它們的波狀量子態(tài)之間的反應(yīng)來進(jìn)行計(jì)算，否則可能需要數(shù)百萬年來計(jì)算。”如今的計(jì)算機(jī)大都以二進(jìn)制方式用一串電脈沖（1和0）將信息編碼成比特，與量子計(jì)算相比，這限制了它們的處理能力。關(guān)鍵要點(diǎn)：

量子計(jì)算利用量子物理中的現(xiàn)象創(chuàng)造新的計(jì)算方式。

量子計(jì)算涉及量子比特。

不同于普通的可以是0或1的計(jì)算比特，量子比特可以以多維狀態(tài)存在。

量子計(jì)算機(jī)的能力隨著添加更多的量子比特呈指數(shù)增長(zhǎng)。

• 添加更多比特的普通計(jì)算機(jī)只能呈線性增長(zhǎng)。

了解量子計(jì)算

量子計(jì)算領(lǐng)域出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。人們發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)典算法相比，量子算法可以更有效地解決某些計(jì)算問題。量子計(jì)算能篩選大量可能性，并找到復(fù)雜問題和挑戰(zhàn)的潛在解決方案。經(jīng)典計(jì)算機(jī)用0或1的比特存儲(chǔ)信息，而量子計(jì)算機(jī)使用量子比特。量子比特以多維方式在量子狀態(tài)中攜帶0和1的信息。

如此巨大的計(jì)算潛力和可能的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)吸引了一些大公司的注意。這些公司包括IBM、微軟、谷歌、D-Waves Systems、阿里巴巴、諾基亞、英特爾、空客、惠普、東芝、三菱、SK電訊、NEC、雷神、洛克希德·馬丁、Rigetti、Biogen、大眾和安進(jìn)。

量子計(jì)算的用途和優(yōu)勢(shì)

量子計(jì)算可以為安全、金融、軍事和情報(bào)、藥物設(shè)計(jì)和研發(fā)、航空航天設(shè)計(jì)、公用事業(yè)(核聚變)、聚合物設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)搜索和數(shù)字制造等領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)能夠提高信息共享的安全性，或改進(jìn)雷達(dá)及其探測(cè)導(dǎo)彈和飛機(jī)。量子計(jì)算還有望用于環(huán)境保護(hù)和用化學(xué)傳感器保持水的清潔領(lǐng)域。以下是量子計(jì)算的一些潛在優(yōu)勢(shì)：

• 金融機(jī)構(gòu)也許能夠利用量子計(jì)算為零售和機(jī)構(gòu)客戶設(shè)計(jì)更有效和高效的投資組合。他們能創(chuàng)造更好的交易模擬器，提高欺詐檢測(cè)能力。
• 醫(yī)療保健行業(yè)可以使用量子計(jì)算來開發(fā)新藥和基因靶向藥物，也可以為更先進(jìn)的DNA研究提供動(dòng)力。
• 量子計(jì)算能幫助設(shè)計(jì)更好的數(shù)據(jù)加密和使用光信號(hào)來檢測(cè)系統(tǒng)中入侵者的方法，增強(qiáng)在線安全性。
• 量子計(jì)算可以用來設(shè)計(jì)更高效、更安全的飛機(jī)和交通規(guī)劃系統(tǒng)。

根據(jù)Gartner的調(diào)查研究，40%的大公司計(jì)劃在2025年前提出圍繞量子計(jì)算的倡議計(jì)劃。

量子計(jì)算的特點(diǎn)

疊加和糾纏是基于量子物理學(xué)的量子計(jì)算的兩個(gè)特征。它們使量子計(jì)算機(jī)能夠以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)高得多的速度和低得多的能耗處理運(yùn)算。

疊加

根據(jù)IBM，一個(gè)量子比特的非凡之處在于它能做什么，而不是它是什么。量子比特將它所包含的量子信息置于疊加態(tài)，這是指一個(gè)量子比特的所有可能配置的組合。“疊加的量子比特組可以創(chuàng)造復(fù)雜的多維計(jì)算空間。復(fù)雜的問題可以在這些空間中以新的方式表現(xiàn)出來。”

糾纏

糾纏是量子計(jì)算能力不可或缺的一部分。成對(duì)的量子比特可以糾纏在一起，這意味著兩個(gè)量子比特以單一狀態(tài)存在，在這種狀態(tài)下，改變一個(gè)量子比特會(huì)以可預(yù)測(cè)的方式直接影響另一個(gè)。量子算法就是利用這種關(guān)系來解決復(fù)雜的問題。雖然傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位數(shù)增加一倍，其處理能力也會(huì)增加一倍，但增加量子比特會(huì)讓計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

退相干

當(dāng)量子比特的量子行為衰減時(shí)，就會(huì)發(fā)生退相干。振動(dòng)或溫度變化會(huì)立即擾亂量子態(tài)，這可能導(dǎo)致量子比特脫離疊加，引發(fā)計(jì)算錯(cuò)誤。因此保護(hù)量子比特免受這種干擾尤為重要，例如，可以采用過冷冰箱，絕緣和真空的方法。

量子計(jì)算的局限性

量子計(jì)算為許多行業(yè)的發(fā)展和解決問題提供了巨大的潛力。然而，目前，它也有其局限性。

量子比特元環(huán)境中最輕微的干擾都會(huì)造成退相干或衰變。這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算崩潰或出錯(cuò)。如上所述，量子計(jì)算機(jī)必須在計(jì)算階段免受所有外部干擾。

計(jì)算階段的錯(cuò)誤修正還沒有完善，因此計(jì)算可能并不可靠。而且，由于量子比特不是數(shù)據(jù)的數(shù)字比特，它們不能利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用的傳統(tǒng)糾錯(cuò)解決方案。

檢索計(jì)算結(jié)果會(huì)破壞數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)一種特殊的數(shù)據(jù)庫搜索算法能讓測(cè)量行為幫助量子態(tài)被解碼成正確答案。

安全防護(hù)程序和量子密碼系統(tǒng)尚未成熟。

• 缺少量子比特阻礙了量子計(jì)算機(jī)發(fā)揮其有效使用潛力。研究人員還沒有生產(chǎn)出超過128個(gè)量子比特。

根據(jù)全球能源領(lǐng)導(dǎo)者Iberdola的說法，“量子計(jì)算機(jī)必須在幾乎沒有大氣壓力，環(huán)境溫度接近絕對(duì)零度(-273攝氏度)，并且與地球磁場(chǎng)絕緣的環(huán)境中，才能防止原子移動(dòng)，相互碰撞或與環(huán)境相互作用。”

“此外，這些系統(tǒng)僅運(yùn)行非常短的時(shí)間，因此信息會(huì)被損壞并且無法存儲(chǔ)，恢復(fù)數(shù)據(jù)變得更加困難。”

量子計(jì)算機(jī)VS經(jīng)典計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有一個(gè)更基本的結(jié)構(gòu)。它們沒有內(nèi)存或處理器。量子計(jì)算機(jī)使用的只是一組超導(dǎo)量子比特。量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)處理信息的方式不同。量子計(jì)算機(jī)使用量子比特來運(yùn)行多維量子算法，隨著量子比特的增加，它們的處理能力呈指數(shù)增長(zhǎng)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)處理器使用比特來操作各種程序，隨著比特?cái)?shù)的增加，它們的功率呈線性增加。因此經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要弱得多。經(jīng)典計(jì)算機(jī)最適合日常工作，出錯(cuò)率低。量子計(jì)算機(jī)非常適合更高級(jí)別的任務(wù)，例如運(yùn)行模擬、分析數(shù)據(jù)(如化學(xué)或藥物試驗(yàn))、創(chuàng)造節(jié)能電池，但它們可能有很高的錯(cuò)誤率。經(jīng)典計(jì)算機(jī)不需要額外的特殊照顧，可以使用一個(gè)基本的內(nèi)部風(fēng)扇來防止過熱。量子處理器需要受到保護(hù)，以免受到輕微的振動(dòng)，并且必須保持極低的溫度，為此，必須使用過冷的超流體。量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更昂貴，也更難制造。重要提示：2019年，谷歌證明了量子計(jì)算機(jī)可以在幾分鐘內(nèi)解決一個(gè)問題，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)則需要一萬年。

發(fā)展中的量子計(jì)算機(jī)

Google

谷歌正在花費(fèi)數(shù)十億美元在2029年前建造量子計(jì)算機(jī)。該公司在加州開設(shè)了一個(gè)名為谷歌人工智能的學(xué)校，以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。一旦開發(fā)完成，谷歌可以通過cloud推出量子計(jì)算服務(wù)。

IBM

IBM計(jì)劃到2023年推出1000量子比特的量子計(jì)算機(jī)。目前，IBM允許其量子網(wǎng)絡(luò)中的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室訪問其機(jī)器。

微軟

微軟通過Azure Quantum平臺(tái)為公司提供量子技術(shù)服務(wù)。

其他

摩根大通和Visa等金融服務(wù)公司也對(duì)量子計(jì)算及其技術(shù)十分感興趣。

常見問題？

1. 簡(jiǎn)單來說量子計(jì)算是什么？

量子計(jì)算是指由量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行的計(jì)算。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成的傳統(tǒng)計(jì)算相比，量子計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)更多的信息，并以更有效的算法運(yùn)行。這意味著它更快地解決極其復(fù)雜的任務(wù)。

2. 造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有多困難？

建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)需要很長(zhǎng)時(shí)間，而且非常昂貴。谷歌多年來一直致力于建造量子計(jì)算機(jī)，并已花費(fèi)數(shù)十億美元。預(yù)計(jì)在2029年前建成量子計(jì)算機(jī)。IBM希望在2023年之前建成一臺(tái)1000量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

3. 建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)要多少錢？

建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)要花費(fèi)數(shù)十億美元。然而，總部位于中國(guó)的深圳SpinQ Technology計(jì)劃向院校出售一臺(tái)5000美元的臺(tái)式量子計(jì)算機(jī)。去年，它開始以5萬美元的價(jià)格出售量子計(jì)算機(jī)。

4. 量子計(jì)算機(jī)有多快？

量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)或超級(jí)計(jì)算機(jī)快很多倍。谷歌正在開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)Sycamore據(jù)說可以在200秒內(nèi)完成一次計(jì)算，而世界上最快的計(jì)算機(jī)之一IBM的Summit需要一萬年才能完成。IBM反駁了谷歌的說法，稱其超級(jí)計(jì)算機(jī)可以在2.5天內(nèi)完成計(jì)算。即便如此，這也比谷歌的量子機(jī)器慢1000倍。

寫在最后

量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算有很大不同。量子計(jì)算使用量子比特，可以同時(shí)為1或0。經(jīng)典計(jì)算機(jī)用的是比特，只能是1或0。因此，量子計(jì)算速度更快，功能更強(qiáng)大，有望被用來解決各種極其復(fù)雜、有價(jià)值的問題。

雖然目前有其局限性，但量子計(jì)算機(jī)已準(zhǔn)備好被無數(shù)行業(yè)中的高性能公司投入使用。

來源：EPITA法國(guó)高等信息工程師學(xué)院