量子計(jì)算入門指南：它是如何工作的？現(xiàn)在怎樣了？

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谷歌宣稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，IBM微軟也在開發(fā)量子計(jì)算機(jī)，可以說(shuō)量子計(jì)算已經(jīng)成為當(dāng)下炙手可熱的前沿技術(shù)！到底什么是量子計(jì)算，介紹與說(shuō)明很多，今天這篇文章只有2000字，但它簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算機(jī)，想科普一下的同學(xué)可以讀讀。本文編譯自medium原題為“Quantum Computing:An Introduction for Programmers”的文章。

解決復(fù)雜問題時(shí)，量子計(jì)算機(jī)并不比人強(qiáng)多少。量子計(jì)算機(jī)將復(fù)雜任務(wù)分解成許多簡(jiǎn)單任務(wù)，與人類相比，計(jì)算機(jī)處理簡(jiǎn)單任務(wù)時(shí)快很多，這就是計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。但經(jīng)典計(jì)算機(jī)存在限制：任務(wù)必須按順序出現(xiàn)。正因如此，如果任務(wù)太復(fù)雜，或者數(shù)據(jù)庫(kù)太大，想找到解決方案就會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。許多時(shí)候問題太龐大，從數(shù)學(xué)層面看，即使是最強(qiáng)大的超級(jí)電腦也沒有辦法突破序列任務(wù)設(shè)定的障礙，但量子計(jì)算機(jī)可以，因?yàn)樗幸恍┯腥さ奶卣鳎函B加、糾纏和干涉。

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如何工作的

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為了解釋這種現(xiàn)象，我們回退一步。當(dāng)計(jì)算機(jī)將復(fù)雜任務(wù)分解成簡(jiǎn)單小任務(wù)時(shí)，最簡(jiǎn)單的任務(wù)是什么？就是在兩個(gè)選項(xiàng)之間選擇，比如在A或者B、真或者假、頭或者尾之間選擇，這些都是二元問題。在計(jì)算機(jī)中，二進(jìn)制代碼（用1或者0代表）可以轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)電路開關(guān)中的“開或者關(guān)”。雖然二進(jìn)制解決方案（信息比特）能以驚人的速度交流信息，但讀取時(shí)必須一個(gè)接一個(gè)讀取。量子計(jì)算機(jī)的效率高很多。與比特等價(jià)的是量子比特，從本質(zhì)上講它相當(dāng)于一個(gè)可以承載可測(cè)量信息的粒子。

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比特必須以一種二元狀態(tài)或者另一種狀態(tài)存在，但量子比特可以以量子態(tài)（疊加）存在，它可以在同一時(shí)間以兩種狀態(tài)存在。量子力學(xué)從很大程度上說(shuō)就是概率游戲，量子比特變成狀態(tài)A或者B的概率可能是50/50，也可能是70/30、10/90或者其它比例。你可以這樣想像：量子比特的位置位于AB之間，或者位于球面的某個(gè)位置，球的一端是A狀態(tài)，另一端是B狀態(tài)。不論怎樣，因?yàn)榱孔佑携B加特點(diǎn)，所以它可以同時(shí)在多個(gè)位置出現(xiàn)。為了找到問題的解決方案，量子比特一次可以沿多條路徑前進(jìn)，但比特一次只能選一條。

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迪杰斯特拉算法(Dijkstra)可以幫我們找到抵達(dá)目的地效率最高的路徑，量子比特沒有必要一條一條路探索（經(jīng)典計(jì)算機(jī)正是這樣做的），它可以同時(shí)分析多條路徑，以更快的速度找到最棒的路徑。當(dāng)問題越復(fù)雜，輸入信息越龐大，經(jīng)典計(jì)算機(jī)尋找路徑的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。量子計(jì)算不一樣，它的效率高很多。

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想挖掘量子疊加的優(yōu)勢(shì)，時(shí)間很關(guān)鍵，因?yàn)榱孔颖忍嘏c測(cè)量設(shè)備接觸時(shí)疊加特性會(huì)受到影響。我們管這種物理法則叫作“觀測(cè)者效應(yīng)”。粒子雖然會(huì)同時(shí)表現(xiàn)出粒子和波的特點(diǎn)，但是當(dāng)我們觀測(cè)時(shí)只能記錄其中一種。到底記錄到其中的哪一種取決于觀測(cè)。所以說(shuō)，當(dāng)我們想探知量子比特?cái)y帶怎樣的信息時(shí)，就會(huì)面臨這樣的障礙。

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我們可以利用量子力學(xué)的第二個(gè)特點(diǎn)來(lái)克服 “觀測(cè)者效應(yīng)”，這個(gè)特點(diǎn)就是“糾纏”（entanglement）。物理家已經(jīng)證實(shí)“糾纏”的存在，也就是兩個(gè)粒子不管相隔多遠(yuǎn)，都能聯(lián)系在一起。現(xiàn)在我們可以操縱幾十個(gè)量子比特，讓它們變成單一的糾纏狀態(tài)，這樣我們就能建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它有2的n次方種可能性（n就是網(wǎng)絡(luò)中量子比特的數(shù)量），它們可以協(xié)同工作。

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如果量子比特?cái)y帶相同的信息，如何處理？那就要談?wù)劻孔痈缮媪耍Ｗ泳哂胁ǖ奶攸c(diǎn)，干涉是波的特征之一。當(dāng)波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇，彼此互補(bǔ)，效果就會(huì)放大，這就是相長(zhǎng)干涉。如果波峰與波谷相遇，就會(huì)抵消，這就是相消干涉。當(dāng)超過(guò)一個(gè)量子比特處于相長(zhǎng)干涉狀態(tài)，它們的效果就會(huì)放大，這樣就可以傳輸信息了。

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現(xiàn)在已經(jīng)走到了哪一步

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要想讓量子網(wǎng)絡(luò)真正發(fā)揮潛能，還有一些障礙要跨越。雖然與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比量子計(jì)算機(jī)解決問題的速度更快（也就是所謂的量子優(yōu)勢(shì)），但是即使是當(dāng)今最大、最穩(wěn)定的量子系統(tǒng)，在商業(yè)上還是沒有實(shí)用價(jià)值。

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實(shí)際上，往糾纏系統(tǒng)中添加量子比特是一件非常難的事，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)非常脆弱。1998年，IBM、牛津、加州伯克利大學(xué)、斯坦福、MIT成功將一對(duì)量子比特組合。20年后，谷歌刷新紀(jì)錄，將量子比特?cái)?shù)量增加到72個(gè)。

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雖然糾纏能從一定程度上解決“觀察者效應(yīng)”這一問題，但是量子狀態(tài)還是容易被破壞，而且量子特征的持續(xù)時(shí)間也很有限。量子系統(tǒng)必須在退出疊加狀態(tài)、進(jìn)入退相干狀態(tài)之前找到解決方案，否則就會(huì)失敗。

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外部因素也會(huì)導(dǎo)致量子比特退出疊加狀態(tài)，雖然我們可以增加量子比特的數(shù)量，但是量子比特越多，越容易受到外部因素的影響。現(xiàn)在行業(yè)一般會(huì)用激光器、磁場(chǎng)、超導(dǎo)體創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境，延長(zhǎng)量子狀態(tài)的壽命（壽命一般用毫秒來(lái)計(jì)算），這樣能降低“出錯(cuò)率”。

當(dāng)出錯(cuò)率下降，觀測(cè)系統(tǒng)也許能取得突破，我們可以根據(jù)觀測(cè)開發(fā)更棒的量子算法。一些行業(yè)玩家已經(jīng)允許客戶通過(guò)云進(jìn)入量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，這樣就能讓研發(fā)變得更容易。

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一旦我們可以建立足夠龐大、足夠穩(wěn)定的量子比特網(wǎng)各，一旦出錯(cuò)率降得足夠低，量子計(jì)算機(jī)解決經(jīng)典問題時(shí)速度會(huì)更快，不只如此，它還可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決不了的問題。

到了這一階段就能實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。也有人認(rèn)為“量子霸權(quán)”不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭艿搅宋锢碓瓌t和理論的限制，量子計(jì)算不可能走到這一步。

有何可能性？

一旦“量子霸權(quán)”真正實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算可以在許多科研領(lǐng)域派上用場(chǎng)，用來(lái)解決復(fù)雜問題。在復(fù)雜而龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)上查詢時(shí)，它的處理速度更快；到時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)將會(huì)突飛猛進(jìn)；我們可以模擬更加復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，了解它們的行為，這樣就可以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得更多突破。

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有了強(qiáng)大的模擬能力，對(duì)工業(yè)和科技產(chǎn)業(yè)也是好事。不過(guò)量子計(jì)算機(jī)無(wú)法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，它要與現(xiàn)代機(jī)器結(jié)合起來(lái)用。有了量子計(jì)算機(jī)，一些領(lǐng)域?qū)?huì)迎來(lái)變革。

當(dāng)AI、機(jī)器學(xué)習(xí)與量子計(jì)算結(jié)合，也許會(huì)有很大的突破。網(wǎng)絡(luò)安全行業(yè)也會(huì)擁抱量子技術(shù)，因?yàn)榧词故墙裉熳畎舻慕?jīng)典加密技術(shù)，在量子系統(tǒng)面前也不堪一擊。

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神譯局  譯者：小兵手