什么是量子计算？

什么是量子计算？

量子计算是计算机科学领域中使用量子理论原理的一个分支。量子理论在原子和亚原子水平上解释了能量和物质的反应行为。量子计算使用亚原子粒子，如电子或光子。量子比特（Quantum bits）让这些粒子同时以一种以上的状态（即1和0）存在。理论上，连接量子位可以“利用它们的波状量子态之间的反应来进行计算，否则可能需要数百万年来计算。”如今的计算机大都以二进制方式用一串电脉冲（1和0）将信息编码成比特，与量子计算相比，这限制了它们的处理能力。关键要点：

量子计算利用量子物理中的现象创造新的计算方式。

量子计算涉及量子比特。

不同于普通的可以是0或1的计算比特，量子比特可以以多维状态存在。

量子计算机的能力随着添加更多的量子比特呈指数增长。

• 添加更多比特的普通计算机只能呈线性增长。

---

了解量子计算

量子计算领域出现于20世纪80年代。人们发现，与经典算法相比，量子算法可以更有效地解决某些计算问题。量子计算能筛选大量可能性，并找到复杂问题和挑战的潜在解决方案。经典计算机用0或1的比特存储信息，而量子计算机使用量子比特。量子比特以多维方式在量子状态中携带0和1的信息。

如此巨大的计算潜力和可能的市场规模已经吸引了一些大公司的注意。这些公司包括IBM、微软、谷歌、D-Waves Systems、阿里巴巴、诺基亚、英特尔、空客、惠普、东芝、三菱、SK电讯、NEC、雷神、洛克希德·马丁、Rigetti、Biogen、大众和安进。

---

量子计算的用途和优势

量子计算可以为安全、金融、军事和情报、药物设计和研发、航空航天设计、公用事业(核聚变)、聚合物设计、机器学习、人工智能(AI)、大数据搜索和数字制造等领域做出巨大贡献。量子计算机能够提高信息共享的安全性，或改进雷达及其探测导弹和飞机。量子计算还有望用于环境保护和用化学传感器保持水的清洁领域。以下是量子计算的一些潜在优势：

• 金融机构也许能够利用量子计算为零售和机构客户设计更有效和高效的投资组合。他们能创造更好的交易模拟器，提高欺诈检测能力。
• 医疗保健行业可以使用量子计算来开发新药和基因靶向药物，也可以为更先进的DNA研究提供动力。
• 量子计算能帮助设计更好的数据加密和使用光信号来检测系统中入侵者的方法，增强在线安全性。
• 量子计算可以用来设计更高效、更安全的飞机和交通规划系统。

根据Gartner的调查研究，40%的大公司计划在2025年前提出围绕量子计算的倡议计划。

---

量子计算的特点

叠加和纠缠是基于量子物理学的量子计算的两个特征。它们使量子计算机能够以比传统计算机高得多的速度和低得多的能耗处理运算。

叠加

根据IBM，一个量子比特的非凡之处在于它能做什么，而不是它是什么。量子比特将它所包含的量子信息置于叠加态，这是指一个量子比特的所有可能配置的组合。“叠加的量子比特组可以创造复杂的多维计算空间。复杂的问题可以在这些空间中以新的方式表现出来。”

纠缠

纠缠是量子计算能力不可或缺的一部分。成对的量子比特可以纠缠在一起，这意味着两个量子比特以单一状态存在，在这种状态下，改变一个量子比特会以可预测的方式直接影响另一个。量子算法就是利用这种关系来解决复杂的问题。虽然传统计算机位数增加一倍，其处理能力也会增加一倍，但增加量子比特会让计算能力呈指数级增长。

退相干

当量子比特的量子行为衰减时，就会发生退相干。振动或温度变化会立即扰乱量子态，这可能导致量子比特脱离叠加，引发计算错误。因此保护量子比特免受这种干扰尤为重要，例如，可以采用过冷冰箱，绝缘和真空的方法。

---

量子计算的局限性

量子计算为许多行业的发展和解决问题提供了巨大的潜力。然而，目前，它也有其局限性。

量子比特元环境中最轻微的干扰都会造成退相干或衰变。这会导致计算崩溃或出错。如上所述，量子计算机必须在计算阶段免受所有外部干扰。

计算阶段的错误修正还没有完善，因此计算可能并不可靠。而且，由于量子比特不是数据的数字比特，它们不能利用经典计算机使用的传统纠错解决方案。

检索计算结果会破坏数据。设计一种特殊的数据库搜索算法能让测量行为帮助量子态被解码成正确答案。

安全防护程序和量子密码系统尚未成熟。

• 缺少量子比特阻碍了量子计算机发挥其有效使用潜力。研究人员还没有生产出超过128个量子比特。

根据全球能源领导者Iberdola的说法，“量子计算机必须在几乎没有大气压力，环境温度接近绝对零度(-273摄氏度)，并且与地球磁场绝缘的环境中，才能防止原子移动，相互碰撞或与环境相互作用。”

“此外，这些系统仅运行非常短的时间，因此信息会被损坏并且无法存储，恢复数据变得更加困难。”

---

量子计算机VS经典计算机

量子计算机比经典计算机具有一个更基本的结构。它们没有内存或处理器。量子计算机使用的只是一组超导量子比特。量子计算机和经典计算机处理信息的方式不同。量子计算机使用量子比特来运行多维量子算法，随着量子比特的增加，它们的处理能力呈指数增长。经典计算机处理器使用比特来操作各种程序，随着比特数的增加，它们的功率呈线性增加。因此经典计算机的计算能力要弱得多。经典计算机最适合日常工作，出错率低。量子计算机非常适合更高级别的任务，例如运行模拟、分析数据(如化学或药物试验)、创造节能电池，但它们可能有很高的错误率。经典计算机不需要额外的特殊照顾，可以使用一个基本的内部风扇来防止过热。量子处理器需要受到保护，以免受到轻微的振动，并且必须保持极低的温度，为此，必须使用过冷的超流体。量子计算机比经典计算机更昂贵，也更难制造。重要提示：2019年，谷歌证明了量子计算机可以在几分钟内解决一个问题，而经典计算机则需要一万年。

---

发展中的量子计算机

Google

谷歌正在花费数十亿美元在2029年前建造量子计算机。该公司在加州开设了一个名为谷歌人工智能的学校，以帮助实现这一目标。一旦开发完成，谷歌可以通过cloud推出量子计算服务。

IBM

IBM计划到2023年推出1000量子比特的量子计算机。目前，IBM允许其量子网络中的研究机构、大学和实验室访问其机器。

微软

微软通过Azure Quantum平台为公司提供量子技术服务。

其他

摩根大通和Visa等金融服务公司也对量子计算及其技术十分感兴趣。

---

常见问题？

1. 简单来说量子计算是什么？

量子计算是指由量子计算机进行的计算。与经典计算机完成的传统计算相比，量子计算机能够存储更多的信息，并以更有效的算法运行。这意味着它更快地解决极其复杂的任务。

2. 造一台量子计算机有多困难？

建造一台量子计算机需要很长时间，而且非常昂贵。谷歌多年来一直致力于建造量子计算机，并已花费数十亿美元。预计在2029年前建成量子计算机。IBM希望在2023年之前建成一台1000量子比特的量子计算机。

3. 建造一台量子计算机要多少钱？

建造一台量子计算机要花费数十亿美元。然而，总部位于中国的深圳SpinQ Technology计划向院校出售一台5000美元的台式量子计算机。去年，它开始以5万美元的价格出售量子计算机。

4. 量子计算机有多快？

量子计算机比经典计算机或超级计算机快很多倍。谷歌正在开发的量子计算机Sycamore据说可以在200秒内完成一次计算，而世界上最快的计算机之一IBM的Summit需要一万年才能完成。IBM反驳了谷歌的说法，称其超级计算机可以在2.5天内完成计算。即便如此，这也比谷歌的量子机器慢1000倍。

---

写在最后

量子计算与经典计算有很大不同。量子计算使用量子比特，可以同时为1或0。经典计算机用的是比特，只能是1或0。因此，量子计算速度更快，功能更强大，有望被用来解决各种极其复杂、有价值的问题。

虽然目前有其局限性，但量子计算机已准备好被无数行业中的高性能公司投入使用。

来源：EPITA法国高等信息工程师学院