什么是量子计算？

量子计算有望解决我们面临的一些重大挑战，这些挑战涉及环境、农业、健康、能源、气候、材料科学等诸多领域。对于其中的一些问题，随着系统规模的不断扩大，传统计算面临的挑战也日益加剧。当经过合理设计以实现规模扩展时，量子系统很可能具备超越当今最强大超级计算机的能力。

本文将阐述量子计算的原理，比较它与传统计算的差异，以及它如何运用量子力学的原理。

量子计算的历史

量子计算机的概念源于在传统计算机上模拟量子系统的困难。20 世纪 80 年代，理查德・费曼（Richard Feynman）和尤里・马宁（Yuri Manin）分别独立提出，基于量子现象的硬件在模拟量子系统方面可能比传统计算机更高效。

有很多角度可以解释为什么量子力学难以模拟。最直观的理解是，在量子层面上，物质存在于多种可能的构型（即状态）之中。

量子态呈指数增长

假设有一个电子系统，其中有 40 个可能的位置，每个位置要么有一个电子，要么没有。因此，这个系统可能处于2^40种构型中的任意一种（因为每个位置都有两种可能的构型，即有电子或为空）。要在传统计算机内存中存储这些电子的量子态，需要超过 130GB 的内存！如果将可能的位置数量增加到 41 个，那么构型的数量将变为原来的两倍，即2^41种，相应地，存储量子态所需的内存将超过 260GB。

这种增加位置数量的情况不可能无限制地持续下去。当电子数量达到几百个时，存储该系统所需的内存将超过宇宙中粒子的数量。因此，用传统计算机来模拟量子动力学是毫无希望的。

化困难为机遇

对这种指数增长的观察促使科学家们提出了一个具有重大意义的问题：我们能否使用一台恰好利用相同物理定律的机器来模拟量子系统呢？并且，我们能否利用这台机器来研究其他对我们至关重要的任务呢？这些问题促成了量子计算的诞生。

1985 年，大卫・多伊奇（David Deutsch）证明，量子计算机能够高效地模拟任何物理系统的行为。这一发现首次表明，量子计算机可用于解决传统计算机难以处理的问题。

1994 年，彼得・肖尔（Peter Shor）发现了一种用于分解整数的量子算法，其运行速度比目前已知的最佳传统算法快指数倍。能够进行整数分解使得破解许多支撑当今电子商务安全的公钥密码系统成为可能，其中包括 RSA 算法和椭圆曲线密码体制。这一发现引发了人们对量子计算的极大兴趣，并推动了针对许多其他问题的量子算法的开发。

什么是量子比特？

正如比特是传统计算中的基本信息单元一样，量子比特（量子位）是量子计算中的基本信息单元。

量子比特是量子计算中的基本信息单位。量子比特在量子计算中所起的作用类似于比特在传统计算中的作用，但其行为却大不相同。传统比特是二进制的，只能处于0或1的状态，而量子比特可以处于所有可能状态的叠加态。这意味着一个量子比特可以处于0态、1态，或者是这两种状态的任意量子叠加态。0和1存在无限种可能的叠加态，且每一种都是有效的量子比特状态。

在量子计算中，信息被编码在0和1的叠加态中。例如，用8个比特，你可以编码256个不同的值，但你必须选择其中一个进行编码，因为这256个值不能同时存在。而用8个量子比特，你可以同时编码这256个值。这是因为量子比特可以处于所有可能状态的叠加态。

构建量子计算机需要满足哪些条件？

量子计算机是一种利用量子力学现象的计算机。量子计算机利用物质的量子态来存储和处理信息。它们可以对量子现象进行 “编程”，从而比传统计算机更快或更好地完成任务。

构建量子计算机是一项复杂的工程挑战，需要深入理解量子力学，并具备在最小尺度上控制量子系统的能力。在构建量子计算机时，不仅要考虑如何创建量子比特，还要考虑如何存储、操纵这些量子比特，并读取计算结果。

这就是为什么科学家和工程师们正在研究不同的量子比特技术来构建量子计算机，因为每种技术都有其自身的优缺点。最常用的量子比特技术包括离子阱量子比特、超导量子比特和拓扑量子比特。对于某些存储量子比特的方法，容纳量子比特的单元需要保持在接近绝对零度的温度，以最大限度地提高其相干性并减少干扰。其他类型的量子比特存储单元则使用真空室来帮助最小化振动并稳定量子比特。可以使用多种方法向量子比特发送信号，包括微波、激光和电压。

量子计算机的五个标准

一台优秀的量子计算机应具备以下五个特征：

1. 可扩展性：能够拥有大量的量子比特。

2. 可初始化性：能够将量子比特设置为特定状态（通常是0态）。

3. 抗干扰性：能够长时间保持量子比特处于叠加态。

4. 通用性：量子计算机无需执行每一种可能的操作，只需执行一组被称为通用操作集的操作即可。一组通用的量子操作是指任何其他操作都可以分解为这些操作的序列。

5. 可靠性：能够准确测量量子比特。

这五个标准通常被称为量子计算的迪文森佐（Di Vincenzo）标准。

构建满足这五个标准的设备是人类有史以来面临的最具挑战性的工程任务之一。Azure Quantum 提供了多种采用不同量子比特技术的量子计算解决方案。

理解量子现象

量子现象是区分量子计算与传统计算的基本原理。理解这些现象对于掌握量子计算机的运行机制以及它们为何具有如此巨大的潜力至关重要。其中，最重要的两个量子现象是叠加和纠缠。

1. 叠加。想象一下，你在客厅里锻炼。你先完全转向左边，然后再完全转向右边。现在，试着同时转向左边和右边。你做不到（至少不把自己一分为二是做不到的）。显然，你不可能同时处于这两种状态 —— 你不能同时面向左边和右边。

然而，如果你是一个量子粒子，由于一种被称为叠加（也称为相干性）的现象，你就有可能以一定的概率面向左边，同时以一定的概率面向右边。

只有像离子、电子或超导电路这样的量子系统才能处于叠加态，而这种叠加态赋予了量子计算强大的能力。像电子这样的量子粒子有其自身类似于 “面向左边或右边” 的属性，即自旋，可分为向上或向下，所以电子的量子态是 “自旋向上” 和 “自旋向下” 的叠加态。

2. 纠缠。纠缠是两个或多个量子系统之间的一种量子关联。当两个量子比特发生纠缠时，它们相互关联并共享各自状态的信息，以至于单个量子比特的量子态无法独立描述。在量子纠缠的情况下，你只能知道整个系统的量子态，而无法知道单个量子比特的状态。

即使两个纠缠的量子系统相隔很远的距离，它们仍然保持这种关联。这意味着，无论你对其中一个子系统进行何种操作或处理，另一个子系统也会产生相应的关联变化。因此，测量一个量子比特的状态就能提供关于另一个量子比特状态的信息 —— 这一特殊属性在量子计算中非常有用。