量子计算时代到来 摩尔定律将要失效？

在1965年，英特尔的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）观察到微芯片上每平方英寸的晶体管数量每隔一定时间就会翻一番，这就叫“摩尔定律”。过去50年来，英特尔一直依靠摩尔定律推动芯片创新，但本文作者说，从量子计算机在过去二十年里的指数级增长中发现，摩尔定律已经变得多余了。

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80年代末到90年代初是一个激动人心的时期，个人电脑变得越来越小和越来越便宜，直观的图形界面和更多的功能喷涌而出，使得家庭计算成为一种新趋势。互联网的出现真正推动了科技经济的增长。

最初的计算机系统是基于微芯片的（发明于1958年），在每平方英寸的芯片上集成了很多晶体管。1965年，英特尔的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）观察到微芯片上每平方英寸的晶体管数量每隔一定时间就会翻一番，这就是众所周知的“摩尔定律”。摩尔定律推断：计算能力大约每12个月翻一番，同时价格也变得更便宜。过去50年来，英特尔一直依靠摩尔定律推动芯片创新，但最近计算机技术的革命性发展预示了晶体管时代的终结。

一些专家指出，计算机变得越来越小和越来越快的关系要么正在放缓，要么已经走到了死胡同。新闻媒体对摩尔定律的报道（上图）表明，曾经流行的作为推动计算增长的驱动因素的这个名词已经不再受欢迎。

其原因是量子计算的出现。简单地说，量子计算机是具有更先进处理能力的超级计算机。它们为现代的计算机提供了指数增长的引擎。量子计算机具有执行复杂计算、多个数据集和多个变量的能力，与目前基于晶体管的计算机系统相比，它在计算效率方面具有明显的优势。它的巨大的潜力足以在全球范围引发每一个行业的革命。那么量子计算机如何实现这一点呢？答案就在于这些机器的基础设施。为了搞清楚这一点，我们首先需要了解传统的基于晶体管的微芯片是如何处理信息的。

量子计算机与传统计算机的区别

传统的计算机以比特或位(Bit)的形式处理信息。这些比特或位以0或1的状态存储在晶体管上。这两种状态作为电子开关（ON-OFF），在两种状态之间交替进行计算。而量子计算机不使用晶体管，它使用量子比特（Qubit）来处理信息。使量子计算机如此之快的原因是这些量子比特具有同时存在两种状态0和1中的能力，并能同时表现出两种状态的特性。这一特性以及量子计算机依赖于自然发生的量子力学现象——叠加和纠缠，使得这些机器能够高效和准确地执行大量复杂的计算。量子计算机在过去二十年里的指数级增长重申了一个事实，摩尔定律已经变得多余了。

如下图所示，牛津大学的研究人员于1998年成功地测试了第一台量子计算机，它只能处理2个量子比特。

到了2017年，IBM设计了一台量子计算机，其处理能力为50个量子比特，计算能力提高了25倍。

2018年，谷歌已经展示了72个量子比特的信息处理能力。

现在，一家总部位于加州伯克利的初创公司Rigetti Computing正致力于打造世界上最强大的量子计算机，其处理能力为128量子比特。

他们的使命是解决人类最大的问题。Steve Jurvetson是D-Wave Systems公司的一个投资者，而D-Wave是一家总部位于加拿大的公司，它专攻混合量子和经典机器，是量子计算系统开发的早期领导者。

Steve创造了一个新的词来形容量子计算机不断增长的能力，称之为“罗斯定律”。与基于半导体的机器的摩尔定律相比，它给出了量子计算增长的平行定义。

三种类型的量子计算

下面这三种类型的量子计算已经提供了一些实际的用例。

量子退火（Quantum Annealing ）：用于解决优化问题。大众汽车与谷歌和D-Wave公司合作，在中国北京这个拥挤不堪的城市进行了一项调整和优化交通流量的试验。计算算法通过为每辆车选择理想的路径，成功地减少了交通拥挤。如果将此解决方案应用于全球旅行和物流，想象一下我们能实现多少增产节约。

量子模拟（Quantum Simulation）：这可以解决传统计算机无法解决的量子物理化学问题。通过量子模拟技术，模拟亚原子粒子或单个蛋白质结构成为现实。这些模拟将对医疗保健和科学研究领域产生深远的影响。。

普适量子（Universal Quantum ）：这台真正具有未来感的量子计算机将有100000个量子比特的容量，超过100万个量子比特的处理能力。它将远远超过目前只能进行128量子比特计算的量子计算机。想象一下，当我们进入太空旅行的时代，这些机器可以解决难以想象的问题。即使是在目前的增长速度下，我们也要等待一段时间才能得到这些机器。然而，研究人员对普适量子计算机的特定算法已经进行了一段时间的研究， Shor的数字分解量子算法（将会用于高级代码分解）和Grover的用于非结构化和海量数据集的快速搜索量子算法（将会用于高级互联网搜索等）是这方面两个最著名的算法。展望未来，普适量子计算机在人工智能领域有着巨大的应用前景。

利用这些量子机器的计算能力对我们在互联网时代产生的海量数据进行复杂的计算是至关重要的。量子计算现在还处于它的早期发展阶段，我们仍然需要稳定的软件和硬件开发平台以及用于这种革命性技术的分发（云计算）渠道。科技巨头、大公司、咨询公司和政府在量子计算项目上不断增长的兴趣和投资预示着这一计算新时代的即将来临……让我们拭目以待！