什么是量子计算机？

当科学家们想要在光合作用中利用分子的力量时，他们无法使用普通的旧电脑。他们需要使用量子计算机，它能够在分子水平上测量和观察量子系统，并解决事件的条件概率。基本上，量子计算机可以在一个周末的时间内完成数十亿年的计算，并在此过程中解决一些世界上最复杂的问题。

什么是量子计算?

量子计算是一种利用量子力学定律来解决传统计算机无法解决的过于庞大或复杂的问题的过程。量子计算机依靠量子位来运行和解决多维量子算法。

事实上，量子计算与经典计算有很大的不同。威尔弗里德劳里埃大学(Wilfrid Laurier University)的量子物理学家Shohini Ghose将量子计算和经典计算之间的区别比作灯泡和蜡烛:“灯泡不仅是更好的蜡烛;而且是一种完全不同的东西。”

量子计算利用量子理论的原理来解决数学问题和运行量子模型。它用来模拟的一些量子系统包括光合作用、超导和复杂的分子形成。

要了解量子计算及其工作原理，首先需要了解量子比特、叠加、纠缠和量子干涉。

什么是量子位?

量子比特是量子计算的基本信息单位。有点像传统计算中的传统二进制位。

量子比特利用叠加在同一时间处于多种状态。二进制位只能表示0或1。量子位可以是0或1，也可以是0和1的任何部分在这两种状态的叠加。

量子比特是由什么构成的?答案取决于量子系统的结构，因为有些系统需要极低的温度才能正常运行。量子比特可以由捕获的离子、光子、人造或真实原子或准粒子制成，而二进制比特通常是硅基芯片。

什么是叠加?

为了解释叠加现象，一些人想到了薛定谔的猫，而另一些人则指出了抛硬币时硬币在空中的瞬间。

简而言之，量子叠加是量子粒子是所有可能状态的组合的一种模式。当量子计算机测量和观察每个粒子时，粒子继续移动。

滑铁卢大学量子计算研究所的科学拓展经理John Donohue说，关于叠加的更有趣的事实——而不是同时关注两件事——是能够从多种角度看待量子态，并提出不同的问题。也就是说，量子计算机可以运行大量的并行计算，而不是像传统计算机那样顺序地执行任务。

这是我们在推导方程之前能得到的最简化的了。但最重要的是，这种叠加是量子计算机“一次尝试所有路径”的原因。

什么是纠缠?

量子粒子能够相互对应测量，当它们处于这种状态时，它被称为纠缠。在纠缠过程中，从一个量子位的测量可以用来得出关于其他单位的结论。纠缠可以帮助量子计算机解决更大的问题，并计算更大的数据和信息存储。

什么是量子干涉?

当量子位经历叠加时，它们也会自然地经历量子干涉。这种干扰是量子比特以这样或那样的方式坍缩的概率。由于存在干扰的可能性，量子计算机致力于减少干扰并确保准确的结果。

量子计算机是如何工作的?

量子计算机处理信息的方式与传统计算机完全不同。传统计算机在二进制比特上运行，而量子计算机通过量子比特传输信息。量子比特保持叠加状态的能力是量子计算能力呈指数级增长潜力的核心。

量子计算机利用各种算法进行测量和观察。这些算法由用户输入，然后计算机创建一个多维空间，其中包含模式和单个数据点。例如，如果用户想要解决蛋白质折叠问题以发现使用的最少能量，量子计算机将测量折叠的组合;这种组合就是问题的答案。

量子计算机的实际样子可以有所不同。IBM、Microsoft和Intel等科技公司已经开发出了量子模拟器和处理器，可以通过购买或特殊会员资格等途径获得。市场上也有各种各样的开源量子工具包，可以在线访问，比如通过GitHub。

一台真正的量子计算机的物理构造主要由三部分组成。第一部分是传统的计算机和基础设施，运行编程并向量子位发送指令。第二部分是将信号从计算机传输到量子位的方法。最后，还需要一个量子位的存储单元。这个量子位的存储单元必须能够稳定量子位，并且必须满足某些需求或要求。这些范围可以从需要接近零度或真空室的外壳。

事实证明，量子位的维护成本相对较高。任何数量的简单动作或变量都可能使容易出错的量子比特陷入退相干，或者失去量子态。可能导致量子计算机崩溃的事情包括测量量子位和运行操作。换句话说:使用它。即使是很小的振动和温度变化也会导致量子比特退相干。

这就是量子计算机被隔离的原因，而那些运行在超导电路上的计算机——最突出的方法，受到谷歌和IBM的青睐——必须保持在接近绝对零度的温度下(零下460华氏度)。

劳伦斯伯克利国家实验室的科学家乔纳森·卡特认为，挑战是双重的。首先，单个物理量子位需要有更好的保真度。可以想象，通过更好的工程设计，发现最佳的电路布局，找到最佳的组件组合，这是可以实现的。其次，我们必须将它们排列成逻辑量子位。

据估计，形成一个容错量子比特需要数百到数千到数万个物理量子比特。我认为可以肯定地说，我们目前所拥有的技术都无法扩展到这些水平。”卡特说。

在此基础上，研究人员还必须构建更复杂的系统来处理量子位保真度和数量的增加。

量子计算能解决什么?

正如量子位可以处于多种状态一样，量子计算可以解决的问题和挑战也是巨大的。量子计算有几个用例:优化、概率、分子模拟、密码学和搜索。

量子计算可以通过使用qc来运行量子启发的算法来优化问题解决。这些优化可以应用于科学和工业领域，因为它们严重依赖于成本、质量和生产时间等因素。有了量子计算，在如何管理空中交通管制、包裹递送、能源储存等方面将有新的发现。

2017年，IBM的研究人员对氢化铍进行了建模，这是迄今为止在量子计算机上模拟的最大分子。2019年，IonQ的研究人员又迈出了关键的一步，他们通过模拟水分子，将量子计算扩展到了更大的范围。

这些通常仍然是可以使用经典模拟方法检查的小问题。多诺霍说:“但是，如果不进行大型粒子物理实验，就很难进行验证，而这可能会非常昂贵。”

也有希望大规模量子计算机将有助于加速人工智能，反之亦然——尽管专家们在这一点上意见不一。量子计算咨询公司quantum Thought的首席执行官丽贝卡•克劳瑟默表示:“存在争议的原因是，在量子世界里，事物必须重新设计。”“我们不能把算法从普通计算机转换到量子计算机，因为在最基本的层面上，它们的规则是完全不同的。”

一些人认为，量子计算机可以通过改善碳捕获来帮助应对气候变化。总部位于帕洛阿尔托的PsiQuantum公司的首席执行官杰里米·奥布莱恩写道，对大分子的量子模拟——如果实现的话——可以帮助制造一种催化剂，“直接从大气中‘清除’二氧化碳”。

量子计算机确实存在，而且现在正在使用。然而，它们目前并没有“解决”气候变化问题，也没有提高金融预测的概率，也没有执行与量子计算潜力有关的其他类似的崇高任务。QC可能会有与这些挑战相关的商业应用，但这是很长的路要走。

今天，我们仍然处于所谓的NISQ时代——嘈杂的中等规模量子。简而言之，量子“噪声”使这种计算机难以稳定。因此，NISQ计算机不能被信任做出重大商业后果的决策，这意味着它们目前主要用于研究和教育。

“与目前其他计算方法相比，这项技术还不能提供计算优势，”Dohonue说。“大多数(商业)需求都需要从长远角度出发的。(公司)正在习惯这项技术，以便当它迎头赶上时——这个时间表是一个激烈辩论的主题——它们已经做好了准备。”

但NISQ计算机的研发实用性是可以证明的，虽然规模很小。Donohue引用了氢锂的分子模型。这是一个足够小的分子，它也可以用超级计算机模拟，但量子模拟提供了一个重要的机会，在经典计算机模拟之后“检验我们的答案”。

这些通常仍然是可以使用经典模拟方法检查的小问题。多诺霍说:“但是，如果不进行大型粒子物理实验，就很难进行验证，而这可能会非常昂贵。”

好奇的人现在就可以动手了。用户可以通过IBM的在线Q Experience及其开源软件Quiskit通过云操作小型量子处理器。微软和亚马逊现在都有类似的平台，分别被称为Azure Quantum和Braket。“这是当今量子计算最酷的事情之一，”克劳瑟默说。“我们都可以和它一起玩。”

为什么量子计算很重要？

量子计算机有可能颠覆我们现有的一些系统。被称为RSA的密码系统为从电子邮件到互联网零售交易的大量隐私和通信协议提供了安全结构。目前的标准依赖于这样一个事实，即没有人有足够的计算能力测试所有可能的方法来解密加密后的数据，但一台成熟的量子计算机可以在几小时内尝试所有选项。

需要强调的是，量子计算机还没有达到那种成熟的水平——在一段时间内也不会达到——但是，如果一个大型的、稳定的设备被制造出来，它前所未有的分解大数的能力将从根本上使RSA密码系统崩溃。值得庆幸的是，这项技术还有一段路要走——专家们正在努力。

“不要恐慌。”这是专注于量子加密技术的ISARA公司的首席技术官兼联合创始人迈克•布朗向焦虑的潜在客户提出的建议。这种威胁远未迫在眉睫。他说:“我们从学术界以及IBM和微软等公司那里听到的是，从规划的角度来看，我们通常使用2026年至2030年的时间框架来准备系统。”

来自ISARA的密码学家是目前参加后量子密码学标准化项目的几个小组之一，这是一项抗量子加密方案的竞赛。其目的是标准化能够抵御大规模量子计算机攻击的算法。该竞赛于2016年由美国国家标准与技术研究院发起，该机构是一家帮助制定科技指导方针的联邦机构，目前正在为第三轮竞赛做准备。

事实上，量子计算机要发动备受讨论的RSA攻击所需要的复杂性和稳定性是极端的。即使承认量子计算的时间表——特别是在可扩展性方面——也是争论的焦点。

量子计算的未来

量子计算可能仍处于繁琐、不合作的阶段，但这并没有阻止商业利益的介入。

IBM在2020年的消费电子展上宣布，其所谓的Q网络已经扩展到100多家公司和组织。现在的合作伙伴包括达美航空、安森健康以及梅赛德斯-奔驰的母公司戴姆勒公司。

其中一些合作关系取决于量子计算在分子模拟方面的承诺。例如，戴姆勒公司希望这项技术有一天能生产出更好的电动汽车电池。

在其他地方，量子计算初创公司与制药行业的领先公司之间的合作——比如1QBit与Biogen、proteinquure与阿斯利康之间的合作——表明了量子分子建模的药物发现前景，尽管它仍然遥远。

理论物理学家萨宾·霍森菲尔德在《卫报》上指出，研究人员需要数百万个量子比特来计算“一种新物质的化学性质”。但至少概念上的基础是存在的。“量子计算机已经知道量子力学，所以我基本上可以编程另一个量子系统如何工作，并用它来回应另一个，”多诺霍解释说。

对于像量子工程软件公司Q-CTRL的创始人Michael Biercuk这样的人来说，“现在唯一重要的技术商业里程碑是量子优势”——或者，正如他所使用的术语，当量子计算机比传统计算机提供一些时间或成本优势时。他是乐观主义者之一:他预计实现这一目标需要5到8年的时间。

另一个悬而未决的问题是:哪种量子计算方法将成为标准?到目前为止，超导已经取得了最丰硕的成果，研究人员正在探索涉及捕获离子、量子退火或所谓的拓扑量子比特的替代方法。在Donohue看来，这并不是哪个技术更好的问题，而是为不同的应用寻找最佳方法的问题。例如，超导芯片与支撑神经成像的磁场技术自然吻合。

然而，量子计算面临的挑战并不完全与硬件相关。加州大学戴维斯分校的数学家格雷格·库柏伯格很快强调，量子计算的“魔力”在于算法的进步，“而不是速度”。

“如果你想出一个新的算法，对于一个它适合的问题，事情就会以指数级的速度加快，”他说(Quantum Algorithm Zoo)列出了60多种算法，引用了400多篇论文。量子算法集是微软量子研究员斯蒂芬·乔丹编写的一个量子算法在线目录。)

克劳瑟默表示，量子计算的另一个障碍是普遍缺乏专业知识。她说:“在这个领域，在软件层面或算法层面工作的人不够多。”据克劳瑟默介绍，科技企业家杰克·希达里的团队开始统计从事量子计算的人数，发现只有大约800到850人。“这是一个比硬件更需要关注的问题，”她说。“因为人们会带来创新。”