量子計算終于來了！但它是什么？
2024-12-25 11:33:53 未知四十年前，物理學家們曾設想，利用令人費解的量子物理機制，可以制造出一種新型計算機，其性能將遠超傳統機器。如今，一系列突破性進展讓“量子實用化”離現實越來越近。一場競賽正在悄然展開，目標是開發出足夠精確的量子計算機，以準確模擬復雜現實世界的現象，并在藥物研發、金融建模和人工智能等各個領域實現飛躍。
量子計算機的魅力何在？
它們能夠完成傳統計算機無法完成的任務。谷歌在12月透露，其最新的量子處理器Willow在五分鐘內解決了一個問題，而這個問題即使讓世界上最強大的超級計算機從宇宙誕生之初就開始計算，也無法解決。
實驗性量子計算機通常被賦予那些會讓傳統計算機感到困惑的任務，因為這些任務涉及太多可變輸入。量子計算機的最大潛力在于模擬涉及大量運動部件的復雜系統，這些部件在相互作用時特性會發生變化。例如，它們可以復制分子的行為，以加速新藥的研發，或者模擬經濟行為者和金融中介的決策，使市場預測更加準確。
然而，對于當今大多數計算機所承擔的繁瑣但更簡單的任務，量子計算機預計并不會有多大用處。這些任務涉及大規模地順序處理數量相對有限的獨立輸入。
誰在研發量子計算機？
加拿大公司D-Wave Quantum Inc.于2011年成為首家銷售量子計算機的企業。此后，IBM、谷歌、亞馬遜以及眾多初創公司都成功研發出了可用的量子計算機。
最近，微軟等公司也在構建可擴展且實用的量子超級計算機方面取得了進展。英特爾公司開始向研究人員提供帶有晶體管的硅量子芯片，這些晶體管被稱為量子比特（qubit），其尺寸比其他類型的量子比特小多達100萬倍。
谷歌和IBM，以及初創公司Universal Quantum和PsiQuantum ，都聲稱將在2030年之前交付一臺有用的量子超級計算機。同時，中國正在建設一個耗資100億美元的國家量子信息科學實驗室，以推動該領域的發展。
量子計算機是如何工作的？
與傳統計算機一樣，量子計算機也使用微小的電路進行計算。但它們的計算是并行進行的，而不是順序進行，這正是它們如此快速的原因。傳統計算機以稱為位（bit）的單位處理信息，位可以表示兩種可能狀態之一——0或1，這對應于計算機芯片中的邏輯門是打開還是關閉。在傳統計算機繼續處理下一條信息之前，它必須為前一條信息分配一個值。
相比之下，由于量子力學的“概率性”特性，量子計算機中的量子比特在計算機完成整個計算之前不需要被分配值。這被稱為“疊加態”。因此，當傳統計算機中的三個位只能表示八種可能性中的一種時（即000、001、010、011、100、101、110和111），具有三個量子比特的量子計算機可以同時處理所有這些可能性。理論上，具有4個量子比特的量子計算機可以處理的信息量是同等規模的傳統計算機的16倍，并且每增加一個量子比特，其處理能力就會翻倍。這就是為什么量子計算機能夠處理比傳統計算機多得多的信息。
它是如何返回結果的？
在設計標準計算機時，工程師會花費大量時間來確保每個位的狀態與其他所有位的狀態相互獨立。但量子比特是糾纏的，這意味著一個量子比特的性質依賴于其周圍量子比特的性質。這是一個優勢，因為量子比特在共同尋找解決方案時可以更快地傳遞信息。當量子算法運行時，來自量子比特的相互矛盾（因此也是錯誤的）結果會相互抵消，而相容（因此可能是正確的）結果則會被放大。這種現象稱為相干性，它使計算機能夠輸出其認為最可能正確的答案。
如何制造量子比特？
理論上，任何可以控制的、表現出量子力學性質的物體都可以用來制造量子比特。許多量子比特是由半導體制成的，IBM、D-Wave和谷歌使用的是微小的超導電線環。一些科學家通過操縱被困離子、光子脈沖或電子自旋來創建量子比特。這些方法中的許多都需要非常特殊的條件，比如比深空還要低的溫度。
需要多少量子比特？
很多！雖然量子比特可以處理比傳統位多得多的信息，但它們固有的不確定性使它們容易出錯。當量子比特之間失去相干性時，錯誤就會悄悄進入它們的計算中。理論家們正在研究能夠糾正這些錯誤的算法。但不可避免的是，修正這些錯誤需要增加更多的量子比特。
科學家們估計，要可靠地運行適合商業用途的程序，計算機需要數百萬甚至數十億個量子比特。2023年10月，加州初創公司Atom Computing實現了1180個量子比特的連接，這是目前的紀錄，超過了IBM在2022年11月創下的433個量子比特的先前紀錄的兩倍多。將足夠多的量子比特組合在一起是主要的挑戰。隨著計算機尺寸的增大，它會散發出更多的熱量，這增加了量子比特失去相干性的可能性。谷歌的 Willow 芯片被視為一項突破，因為即使將更多的量子比特組合在一起，錯誤率也下降了。
我什么時候能得到我的量子計算機？
這取決于你想用它來做什么。學者們已經通過基于云的IBM Quantum Platform在100個量子比特的機器上解決問題，公眾也可以嘗試（如果你知道如何開發量子代碼）。科學家們的目標是在未來十年內交付一臺適合商業應用的所謂“通用”量子計算機。
量子計算機強大的問題解決能力帶來的一個潛在缺點是，它們可能輕易地破解傳統加密系統。也許最能說明我們離量子計算廣泛應用還有多近的是，政府正在簽署指令，企業正在投入數百萬美元來保護傳統計算系統免受量子機器的破解。
來源：EETOP編譯自bnnbloomberg
關鍵詞： 量子計算
