什么是量子計算？

什么是量子計算？

量子計算是計算機科學領域中使用量子理論原理的一個分支。量子理論在原子和亞原子水平上解釋了能量和物質的反應行為。量子計算使用亞原子粒子，如電子或光子。量子比特（Quantum bits）讓這些粒子同時以一種以上的狀態(tài)（即1和0）存在。理論上，連接量子位可以“利用它們的波狀量子態(tài)之間的反應來進行計算，否則可能需要數(shù)百萬年來計算?！比缃竦挠嬎銠C大都以二進制方式用一串電脈沖（1和0）將信息編碼成比特，與量子計算相比，這限制了它們的處理能力。關鍵要點：

量子計算利用量子物理中的現(xiàn)象創(chuàng)造新的計算方式。

量子計算涉及量子比特。

不同于普通的可以是0或1的計算比特，量子比特可以以多維狀態(tài)存在。

量子計算機的能力隨著添加更多的量子比特呈指數(shù)增長。

• 添加更多比特的普通計算機只能呈線性增長。

了解量子計算

量子計算領域出現(xiàn)于20世紀80年代。人們發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)典算法相比，量子算法可以更有效地解決某些計算問題。量子計算能篩選大量可能性，并找到復雜問題和挑戰(zhàn)的潛在解決方案。經(jīng)典計算機用0或1的比特存儲信息，而量子計算機使用量子比特。量子比特以多維方式在量子狀態(tài)中攜帶0和1的信息。

如此巨大的計算潛力和可能的市場規(guī)模已經(jīng)吸引了一些大公司的注意。這些公司包括IBM、微軟、谷歌、D-Waves Systems、阿里巴巴、諾基亞、英特爾、空客、惠普、東芝、三菱、SK電訊、NEC、雷神、洛克希德·馬丁、Rigetti、Biogen、大眾和安進。

量子計算的用途和優(yōu)勢

量子計算可以為安全、金融、軍事和情報、藥物設計和研發(fā)、航空航天設計、公用事業(yè)(核聚變)、聚合物設計、機器學習、人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)搜索和數(shù)字制造等領域做出巨大貢獻。量子計算機能夠提高信息共享的安全性，或改進雷達及其探測導彈和飛機。量子計算還有望用于環(huán)境保護和用化學傳感器保持水的清潔領域。以下是量子計算的一些潛在優(yōu)勢：

• 金融機構也許能夠利用量子計算為零售和機構客戶設計更有效和高效的投資組合。他們能創(chuàng)造更好的交易模擬器，提高欺詐檢測能力。
• 醫(yī)療保健行業(yè)可以使用量子計算來開發(fā)新藥和基因靶向藥物，也可以為更先進的DNA研究提供動力。
• 量子計算能幫助設計更好的數(shù)據(jù)加密和使用光信號來檢測系統(tǒng)中入侵者的方法，增強在線安全性。
• 量子計算可以用來設計更高效、更安全的飛機和交通規(guī)劃系統(tǒng)。

根據(jù)Gartner的調查研究，40%的大公司計劃在2025年前提出圍繞量子計算的倡議計劃。

量子計算的特點

疊加和糾纏是基于量子物理學的量子計算的兩個特征。它們使量子計算機能夠以比傳統(tǒng)計算機高得多的速度和低得多的能耗處理運算。

疊加

根據(jù)IBM，一個量子比特的非凡之處在于它能做什么，而不是它是什么。量子比特將它所包含的量子信息置于疊加態(tài)，這是指一個量子比特的所有可能配置的組合。“疊加的量子比特組可以創(chuàng)造復雜的多維計算空間。復雜的問題可以在這些空間中以新的方式表現(xiàn)出來。”

糾纏

糾纏是量子計算能力不可或缺的一部分。成對的量子比特可以糾纏在一起，這意味著兩個量子比特以單一狀態(tài)存在，在這種狀態(tài)下，改變一個量子比特會以可預測的方式直接影響另一個。量子算法就是利用這種關系來解決復雜的問題。雖然傳統(tǒng)計算機位數(shù)增加一倍，其處理能力也會增加一倍，但增加量子比特會讓計算能力呈指數(shù)級增長。

退相干

當量子比特的量子行為衰減時，就會發(fā)生退相干。振動或溫度變化會立即擾亂量子態(tài)，這可能導致量子比特脫離疊加，引發(fā)計算錯誤。因此保護量子比特免受這種干擾尤為重要，例如，可以采用過冷冰箱，絕緣和真空的方法。

量子計算的局限性

量子計算為許多行業(yè)的發(fā)展和解決問題提供了巨大的潛力。然而，目前，它也有其局限性。

量子比特元環(huán)境中最輕微的干擾都會造成退相干或衰變。這會導致計算崩潰或出錯。如上所述，量子計算機必須在計算階段免受所有外部干擾。

計算階段的錯誤修正還沒有完善，因此計算可能并不可靠。而且，由于量子比特不是數(shù)據(jù)的數(shù)字比特，它們不能利用經(jīng)典計算機使用的傳統(tǒng)糾錯解決方案。

檢索計算結果會破壞數(shù)據(jù)。設計一種特殊的數(shù)據(jù)庫搜索算法能讓測量行為幫助量子態(tài)被解碼成正確答案。

安全防護程序和量子密碼系統(tǒng)尚未成熟。

• 缺少量子比特阻礙了量子計算機發(fā)揮其有效使用潛力。研究人員還沒有生產(chǎn)出超過128個量子比特。

根據(jù)全球能源領導者Iberdola的說法，“量子計算機必須在幾乎沒有大氣壓力，環(huán)境溫度接近絕對零度(-273攝氏度)，并且與地球磁場絕緣的環(huán)境中，才能防止原子移動，相互碰撞或與環(huán)境相互作用?！?/p>

“此外，這些系統(tǒng)僅運行非常短的時間，因此信息會被損壞并且無法存儲，恢復數(shù)據(jù)變得更加困難。”

量子計算機VS經(jīng)典計算機

量子計算機比經(jīng)典計算機具有一個更基本的結構。它們沒有內存或處理器。量子計算機使用的只是一組超導量子比特。量子計算機和經(jīng)典計算機處理信息的方式不同。量子計算機使用量子比特來運行多維量子算法，隨著量子比特的增加，它們的處理能力呈指數(shù)增長。經(jīng)典計算機處理器使用比特來操作各種程序，隨著比特數(shù)的增加，它們的功率呈線性增加。因此經(jīng)典計算機的計算能力要弱得多。經(jīng)典計算機最適合日常工作，出錯率低。量子計算機非常適合更高級別的任務，例如運行模擬、分析數(shù)據(jù)(如化學或藥物試驗)、創(chuàng)造節(jié)能電池，但它們可能有很高的錯誤率。經(jīng)典計算機不需要額外的特殊照顧，可以使用一個基本的內部風扇來防止過熱。量子處理器需要受到保護，以免受到輕微的振動，并且必須保持極低的溫度，為此，必須使用過冷的超流體。量子計算機比經(jīng)典計算機更昂貴，也更難制造。重要提示：2019年，谷歌證明了量子計算機可以在幾分鐘內解決一個問題，而經(jīng)典計算機則需要一萬年。

發(fā)展中的量子計算機

Google

谷歌正在花費數(shù)十億美元在2029年前建造量子計算機。該公司在加州開設了一個名為谷歌人工智能的學校，以幫助實現(xiàn)這一目標。一旦開發(fā)完成，谷歌可以通過cloud推出量子計算服務。

IBM

IBM計劃到2023年推出1000量子比特的量子計算機。目前，IBM允許其量子網(wǎng)絡中的研究機構、大學和實驗室訪問其機器。

微軟

微軟通過Azure Quantum平臺為公司提供量子技術服務。

其他

摩根大通和Visa等金融服務公司也對量子計算及其技術十分感興趣。

常見問題？

1. 簡單來說量子計算是什么？

量子計算是指由量子計算機進行的計算。與經(jīng)典計算機完成的傳統(tǒng)計算相比，量子計算機能夠存儲更多的信息，并以更有效的算法運行。這意味著它更快地解決極其復雜的任務。

2. 造一臺量子計算機有多困難？

建造一臺量子計算機需要很長時間，而且非常昂貴。谷歌多年來一直致力于建造量子計算機，并已花費數(shù)十億美元。預計在2029年前建成量子計算機。IBM希望在2023年之前建成一臺1000量子比特的量子計算機。

3. 建造一臺量子計算機要多少錢？

建造一臺量子計算機要花費數(shù)十億美元。然而，總部位于中國的深圳SpinQ Technology計劃向院校出售一臺5000美元的臺式量子計算機。去年，它開始以5萬美元的價格出售量子計算機。

4. 量子計算機有多快？

量子計算機比經(jīng)典計算機或超級計算機快很多倍。谷歌正在開發(fā)的量子計算機Sycamore據(jù)說可以在200秒內完成一次計算，而世界上最快的計算機之一IBM的Summit需要一萬年才能完成。IBM反駁了谷歌的說法，稱其超級計算機可以在2.5天內完成計算。即便如此，這也比谷歌的量子機器慢1000倍。

寫在最后

量子計算與經(jīng)典計算有很大不同。量子計算使用量子比特，可以同時為1或0。經(jīng)典計算機用的是比特，只能是1或0。因此，量子計算速度更快，功能更強大，有望被用來解決各種極其復雜、有價值的問題。

雖然目前有其局限性，但量子計算機已準備好被無數(shù)行業(yè)中的高性能公司投入使用。

來源：EPITA法國高等信息工程師學院