量子計算入門指南：它是如何工作的？現(xiàn)在怎樣了？

Insigne

谷歌宣稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，IBM微軟也在開發(fā)量子計算機(jī)，可以說量子計算已經(jīng)成為當(dāng)下炙手可熱的前沿技術(shù)！到底什么是量子計算，介紹與說明很多，今天這篇文章只有2000字，但它簡要介紹了量子計算機(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，量子計算機(jī)并不比人強(qiáng)多少。量子計算機(jī)將復(fù)雜任務(wù)分解成許多簡單任務(wù)，與人類相比，計算機(jī)處理簡單任務(wù)時快很多，這就是計算機(jī)的優(yōu)勢所在。但經(jīng)典計算機(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)庫太大，想找到解決方案就會耗費(fèi)很長時間。許多時候問題太龐大，從數(shù)學(xué)層面看，即使是最強(qiáng)大的超級電腦也沒有辦法突破序列任務(wù)設(shè)定的障礙，但量子計算機(jī)可以，因?yàn)樗幸恍┯腥さ奶卣鳎函B加、糾纏和干涉。

如何工作的

; V/ Y* U9 U& W# C" w2 x9 o) w

為了解釋這種現(xiàn)象，我們回退一步。當(dāng)計算機(jī)將復(fù)雜任務(wù)分解成簡單小任務(wù)時，最簡單的任務(wù)是什么？就是在兩個選項(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。在計算機(jī)中，二進(jìn)制代碼（用1或者0代表）可以轉(zhuǎn)化為計算機(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，但讀取時必須一個接一個讀取。量子計算機(jī)的效率高很多。與比特等價的是量子比特，從本質(zhì)上講它相當(dāng)于一個可以承載可測量信息的粒子。

6 J* b, I; q8 S7 u; @: p2 v

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，它可以在同一時間以兩種狀態(tài)存在。量子力學(xué)從很大程度上說就是概率游戲，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)，所以它可以同時在多個位置出現(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。

. d- j  ]& h. d8 G7 Z# T: i  a

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)典計算機(jī)正是這樣做的），它可以同時分析多條路徑，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)典計算機(jī)尋找路徑的時間就會越長。量子計算不一樣，它的效率高很多。

. Z. J  Z9 c1 b% ?6 ~

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

7 u, l* J$ W$ J/ x

我們可以利用量子力學(xué)的第二個特點(diǎn)來克服 “觀測者效應(yīng)”，這個特點(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。

: l, p. R! F/ W" g: Q$ S# ]5 C# Z& t

如果量子比特攜帶相同的信息，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)，效果就會放大，這就是相長干涉。如果波峰與波谷相遇，就會抵消，這就是相消干涉。當(dāng)超過一個量子比特處于相長干涉狀態(tài)，它們的效果就會放大，這樣就可以傳輸信息了。

現(xiàn)在已經(jīng)走到了哪一步

2 w# W7 A! R2 @

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)典計算機(jī)相比量子計算機(jī)解決問題的速度更快（也就是所謂的量子優(yōu)勢），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)用價值。

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成功將一對量子比特組合。20年后，谷歌刷新紀(jì)錄，將量子比特數(shù)量增加到72個。

4 G9 q. Q0 k' ]

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，否則就會失敗。

外部因素也會導(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)一般會用激光器、磁場、超導(dǎo)體創(chuàng)建一個環(huán)境，延長量子狀態(tài)的壽命（壽命一般用毫秒來計算），這樣能降低“出錯率”。

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

# W1 n) v8 f! t

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，一旦出錯率降得足夠低，量子計算機(jī)解決經(jīng)典問題時速度會更快，不只如此，它還可以解決經(jīng)典計算機(jī)解決不了的問題。

+ [& T; h" Y: v! Z. L

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，量子計算不可能走到這一步。

: Y7 H9 S& h1 f; N3 h

有何可能性？

一旦“量子霸權(quán)”真正實(shí)現(xiàn)，量子計算可以在許多科研領(lǐng)域派上用場，用來解決復(fù)雜問題。在復(fù)雜而龐大的數(shù)據(jù)庫上查詢時，它的處理速度更快；到時機(jī)器學(xué)習(xí)將會突飛猛進(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。

有了強(qiáng)大的模擬能力，對工業(yè)和科技產(chǎn)業(yè)也是好事。不過量子計算機(jī)無法取代經(jīng)典計算機(jī)，它要與現(xiàn)代機(jī)器結(jié)合起來用。有了量子計算機(jī)，一些領(lǐng)域?qū)瓉碜兏铩?/font>

3 G" c7 x0 q( I6 B5 u7 _6 v) }# h

當(dāng)AI、機(jī)器學(xué)習(xí)與量子計算結(jié)合，也許會有很大的突破。網(wǎng)絡(luò)安全行業(yè)也會擁抱量子技術(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。

8 P+ p3 s# Q+ w

神譯局  譯者：小兵手