量子计算终于来了 它何以成为计算新宠？

集微网消息，四十年前，计算机工程师们就在理论上认为，可以利用量子物理学中令人匪夷所思的力学原理来制造一种新型计算机，这种计算机的功能要比传统计算机强大得多。现在，一系列突破使“量子效应”触手可及，量子计算机能够进行复杂的计算，其复杂程度令最强大的超级计算机都望尘莫及。人们正在竞相开发更大的设备，以精确模拟现实世界的复杂现象，并在药物开发、金融建模和人工智能（AI）等领域实现飞跃。

1.量子计算机的魅力何在？

它们能做到经典计算机做不到的事情。谷歌在2023年4月透露，其一台量子计算机在几秒钟内就解决了一个问题，而这个问题需要世界上最强大的超级计算机花费47年的时间才能解决。实验性量子计算机通常被赋予传统计算机需要很长时间才能完成的任务，例如模拟复杂分子的相互作用以发现药物。量子计算机的最大潜力在于对涉及大量运动部件的复杂系统进行建模，这些部件的行为会随着它们的相互作用而发生变化，例如预测金融市场的变化、优化供应链以及操作生成式AI中使用的大语言模型（LLM）。对于当今大多数计算机所从事的费力但更简单的工作，即大规模连续处理数量更有限的孤立输入，预计量子计算机用处不大。

2.谁在制造量子计算机？

2011年，加拿大D-Wave系统公司成为首家销售用于解决优化问题的量子计算机的公司。IBM、Alphabet旗下谷歌、亚马逊和众多初创公司都已制造出可工作的量子计算机。最近，微软等公司在建造可扩展的实用量子超级计算机方面取得了进展。英特尔开始向研究人员提供硅量子芯片，其晶体管被称为量子比特（qubit），比其他类型的芯片小100万倍。微软和包括Universal Quantum在内的其他公司预计将在未来十年内制造出量子超级计算机。中国正在建设一个耗资100亿美元的量子信息科学国家实验室，以大力推动该领域的发展。

3.量子计算机如何工作？

与传统计算机一样，量子计算机使用微小电路进行计算。但它们是并行而不是按顺序进行计算，因此速度更快。普通计算机以比特为单位处理信息，比特可以代表两种可能状态之一—0或1，对应于计算机芯片上称为逻辑门的部分为关闭或打开。传统计算机在处理下一条信息之前，必须先为前一条信息赋值。相比之下，由于量子力学的概率性，量子计算机中的量子比特在计算机完成整个计算之前不必赋值。这就是所谓的“叠加”。因此，传统计算机中的三个比特只能代表000、001、010、011、100、101、110和111这八种可能性中的一种，而由三个量子比特组成的量子计算机却能同时处理所有可能性。理论上，拥有4个量子比特的量子计算机可以处理的信息量是同等大小的传统计算机的16倍，而且每增加一个量子比特，其处理能力就会翻一番。这就是为什么量子计算机能够处理的信息量是传统计算机的数倍。

量子为什么更快

破解加密或绘制分子结构图等问题可能需要对数百万种可能性进行排序。

4.量子计算机如何返回结果？

在设计标准计算机时，工程师会花费大量时间来确保每个比特的状态独立于所有其他比特的状态。但量子比特是纠缠在一起的，这意味着其中一个比特的属性取决于它周围的量子比特的属性。这是一个优势，因为当量子比特协同工作得出解决方案时，信息可以在它们之间更快地传递。随着量子算法的运行，来自量子比特的矛盾结果会相互抵消，而兼容结果则会被放大。这种现象被称为“相干性”（coherence），使计算机能够产出它认为最有可能正确的答案。

5.如何制造量子比特？

从理论上讲，任何表现出量子力学特性且可以控制的东西都可以用来制造量子比特。IBM、D-Wave和谷歌都使用了微小的超导线环。其他公司则使用半导体，还有一些公司将两者结合使用。一些科学家通过操纵被困离子、光子脉冲或电子自旋来制造量子比特。其中许多方法都需要非常特殊的条件，例如比深空更冷的温度。

6.需要多少个量子比特？

很多。尽管量子比特处理的信息量比经典比特多出数倍，但其固有的不确定性使它们极易出错。当量子比特彼此不一致时，错误就会潜入它们的计算中。在实验室外，科学家们只能让量子比特保持几分之一秒的一致性，在许多情况下，这段时间太短，无法运行整个算法。专家正在努力开发能够纠正其中一些错误的算法。但是，修复工作不可避免地要增加更多的量子比特。科学家们估计，一台计算机需要数百万（甚至数十亿）个量子比特，才能可靠地运行适合商业用途的程序。将足够多的比特连接在一起是主要的挑战。计算机的体积越大，散发的热量就越多，这使得量子比特更有可能失去一致性。目前的量子比特连接记录是1180个，由加州初创公司Atom Computing于2023年10月创下，是IBM于2022年11月创下的433个记录的两倍多。

7.什么时候能得到量子计算机？

这取决于你想用它来做什么。学术界已经通过基于云的IBM量子平台，在100个量子比特的设备上解决问题，普通大众也可以试用，如果你知道如何开发量子代码的话。科学家们的目标是在未来十年内推出适合商业应用的所谓“通用”量子计算机。量子计算机解决问题的能力巨大，但有一点需要注意，那就是它们有可能破解经典加密系统。政府正在签署指令，企业也在投入数百万美元确保传统计算系统不被量子设备破解，这或许是我们距离量子计算相当近的最好证明。

（校对/孙乐）