量子计算的未来

世界在各个领域都取得了突破，技术也不例外。一项特定的技术如何突然飙升到新的高度，并在塑造未来方面发挥作用是令人着迷的。当爱因斯坦发现相对论时，他不知道它会成为一个重要的概念。让我们深入了解这个美丽的概念。

它通常被认为是一项难以理解的复杂技术，但对于渴望学习的人来说，让我们把它变成基本的，从整体方法开始。从“如何”、“做什么”和“为什么”问题开始。

什么是量子计算？

当专业人士遇到问题时，他们会求助于超级计算机，但超级计算机并不总是那么全能，因为有时问题的规模和复杂性对他们来说太大了。这就是量子计算机可以弥补的地方，它们利用量子力学定律来解决传统计算技术太复杂的问题。量子计算机的惊人能力是源于量子力学的三个基本特性：量子叠加、量子纠缠和量子干涉。

为了准确地理解，在经典计算机中，有一种被称为比特的东西用来存储数据，它在任何给定的时间只取1或0的值，而量子位可以在状态0和1的叠加中找到，直到获得测量值。

量子叠加态：量子粒子被用作比特，也被称为量子位。它可以是电子、光子或任何粒子，但磷原子中最常用的是外层电子。自旋向上时是1自旋向下时是0。自旋可以用电磁场来控制。电子的自旋可以向上，也可以向下，当我们没有观察到的时候，它们可以同时向上和向下。这就是所谓的量子叠加。

量子纠缠：在量子力学中，我们使用了纠缠的特性。两个粒子可以连接在一起，这样无论距离有多远，其中一个粒子总是给出与另一个粒子相反的结果。这种纠缠将在这些量子位的测量结果中表现出来。测量时，这些量子位总是随机取0或1，但无论它们彼此相距多远，它们都会始终给出相反的结果。

量子干涉：量子干涉是叠加的产物。它是量子力学中的一个基本概念，描述了量子系统相互作用时的行为。在量子力学中，像电子和光子这样的粒子既可以表现为波也可以表现为粒子，当它们与其他粒子或波相互作用时，它们可以产生建设性或破坏性的干涉。相消干涉是指一个波的波峰与具有相同频率的另一个波的波峰相遇，产生的振幅是两个单独振幅的总和。另一方面，相消干涉是当一个波的范围遇到另一个波的波谷时，那么振幅等于单个振幅的差。

它们是如何工作的？

与经典计算机相比，量子计算机倾向于以不同的方式处理指令。传统计算机使用二进制位，而量子计算机通过量子位传递信息。量子比特的叠加能力是量子计算的核心，因为它显示了巨大的分析能力。

他们利用一系列算法来执行各种评估和推断。然后，用户的输入被计算机记录，以创建一个多面空间，其中包含存储模式和单个数据点。量子计算机的物理结构由三部分组成。第一种是经典计算机，其框架通过向量子位传递命令来执行编程。下一部分是将信号从计算机传输到量子位。最后，需要一个存储库来存储这些量子位。这个存储库必须保持量子位的恒定形式。这需要特定的要求，需要接近零度或真空室的外壳。

量子比特需要巨大的支撑，因为即使是最基本的指令也会引起干扰，导致量子态的丢失。不仅是微小的振动，而且轻微的温度变化也会使量子比特退相干。

这就是为什么量子计算机被隔离，而那些运行在超导电路上的计算机——谷歌和IBM最喜欢的最突出的方法——必须保持在接近绝对零度（零下460华氏度）。

量子计算的一些应用

1. 人工智能和机器学习

量子计算有可能通过为某些类型的计算提供指数级加速来彻底改变人工智能和机器学习，特别是与优化相关的计算，这涉及从大量可能的解决方案中找到最佳解决方案。量子计算可以为某些类型的优化问题提供指数级的加速，这可以使我们更快地找到更好的解决方案。其次，量子机器学习算法可以比经典算法更快地对数据进行分类。此外，量子计算可用于加速机器学习模型的训练，这有助于减少开发新的人工智能应用程序所需的时间。

2. 计算化学

它是最有前途的领域之一，因为量子计算机能够同时存在于两个值，即1和0。这可以为机器提供一个很好的机会来精细地绘制分子图，这可以服务于药物研究的目的。与此同时，它还可以改善固氮过程，用于制造氨基肥料；制造室温超导体；去除二氧化碳以改善气候；制造固态电池。

3. 金融服务

量子技术在这一领域的应用将被证明是有益的，因为它可以在更短的开发时间内完成复杂的计算并给出更好的解决方案。算法交易是另一种可能性，使用复杂的算法通过评估市场变量来自动触发股票交易，这是有益的，特别是对于大批量交易。

4. 物流

量子计算机将有助于优化运输和路线系统，帮助他们计算最有效的路线，从而节省燃料消耗和旅行时间。其次，它可以帮助公司通过预测需求和优化库存水平来维持库存。这将减少库存和浪费。它还可以通过预测和降低风险、提高可视性和优化物流流程来帮助供应链。

5. 天气预报与气候变化

量子计算机可以在规定的时间内收集大量数据。这可能会导致天气系统模型的增强，使科学家能够在短时间内以极高的精度预测天气模式的变化——这对于当前世界正在经历气候变化的时代是至关重要的。

预报包括各种因素，如气压、温度和空气密度，这导致难以提供准确的数据。量子计算可以帮助克服这些困难。气象学家还将能够分析更详细的气候模型，这将为气候变化和缓解气候变化的方法提供更深入的了解。

量子计算的突破

这些公司正在攀登量子高峰：

1. IBM是第一家提供基于云计算方法的公司。它的第一个基于云的处理器由一个五量子位处理器组成，IBM还在继续推出新版本。

2. 谷歌声称实现了扩展逻辑量子比特的实验里程碑，首次证明可以通过增加量子比特的数量来减少错误。

3. 微软推出了全球首款全栈开放云计算机Azure Quantum。

4. 英特尔在构建可以在更高温度下工作的自旋量子比特方面非常熟练。英特尔还拥有量子点阵列技术，这在使用晶体管制造技术的大规模量子比特处理器生产中很有用。

5. Rigetti Computing使用超导量子比特技术制造和部署集成量子计算系统。

6. Toshiba以其量子密钥分配（QKD）计划而闻名，因为它可以保护网络通信。

结论

量子计算是一个快速发展的领域，有望改革计算并解决一些世界上最复杂的问题。量子比特的特性使得量子计算机执行某些计算的速度比经典计算机要快得多。

尽管量子计算前景光明，但在它被广泛采用之前，仍有一些重大挑战必须克服。最大的挑战之一是开发能够保护量子信息不受噪声和退相干影响的纠错码。另一个挑战是建造具有足够量子位的量子计算机来解决有意义的问题。

总体而言，量子计算领域仍处于早期阶段，但它有可能从根本上改变计算，并解决目前经典计算机难以解决的问题。随着研究的继续，我们可能会看到量子计算在理论和实际应用方面取得重大进展。