量子计算系列 | 算力不决问量子，量子计算到底是什么？

“出新推出“产业洞察”栏目，聚焦各新兴技术领域，解析各行业发展最前沿的问题。本周推出量子计算系列，本篇盘点量子计算的基本含义及原理。欢迎大家持续关注！

作者：Jason Roell |

编译：唐诗 |

在一个由硬性规则主导的世界里，量子计算正在颠覆信息技术行业。这是一项新兴技术，提供了以多种方式改善我们生活的潜力。它使我们能够在几天或几周内执行与当今计算机需要数月或数年的相同任务。

量子计算机背后的想法是量子物理学的奇幻世界。量子力学是物理学的一个领域，它描述了经典物理学无法准确预测的物体。量子计算背后的核心是控制和使用量子比特的能力——量子比特是最小的信息单位。这些单元可以同时以多种状态存在，当它们纠缠在一起时，它们可以立即共享信息。量子计算本质上是使用量子属性来计算和处理数字，这是传统计算机无法实现的。

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量子计算的历史

量子计算的历史是非常有趣的，因为它最初是一个理论概念。量子计算机背后的基本思想是它们不遵循正常的因果关系规则。根据量子力学定律，粒子既有波的性质，也有粒子的性质。

粒子在亚原子水平上就像波一样，这意味着量子信息以概率编码，粒子的状态由概率波表示。波函数可以代表给定时刻的多个可能结果。由于这些概率在不断变化，量子物体的行为可以随着时间的推移而改变，或者至少看起来会发生变化。

量子计算于 1925 年引入，并于 1927 年建造了第一台量子计算机。许多研究人员一直在尝试构建更好的量子计算机。然而，第一台量子计算机花了几十年的时间才被制造出来。

虽然量子计算的概念已经存在了近半个世纪，但直到 1990 年代，该技术才达到可以变得实用的水平。1994年取得了突破，当时来自IBM，贝尔实验室和新墨西哥大学的一组研究人员使用超导磁通量子比特开发了五量子比特量子计算机。

量子比特是通过将一种特殊的约瑟夫森结构建成超导体来制造的。研究小组展示了第一种量子算法，它的性能比经典计算机更好，证明了该技术是可行的。

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进入量子计算机

传统计算机是严格的数字化计算机，完全依赖于经典的计算原理和属性。另一方面，量子计算机是严格的量子比特计算机。因此，它们依赖于量子原理和性质——最重要的是叠加和纠缠。这使得它们能解决看似无法克服的问题，近乎奇迹般的能力与以往大不相同。

重合

为了理解叠加的概念，让我们考虑最简单的系统：双态系统。普通的经典双态系统就像一个开关，它始终处于一种状态（开）或另一种状态（关）。然而，双态量子系统完全是另一回事。

每当测量它的状态时，会发现它确实要么打开要么关闭，就像一个经典系统一样。但是在测量之间，量子系统可以同时处于开启和关闭状态的叠加状态，无论这在我们看来多么违反直觉，甚至是超自然的。

重合 来源：IBM 研究院

一般来说，物理学家认为，在测量之前谈论量子系统的状态（例如其自旋）是没有意义的。有些人甚至认为，测量量子系统的行为本身就会导致它从不确定的模糊状态崩溃到你测量的值（开或关，向上或向下）。

也许无法想象，但却也无法逃避这样一个事实，即这种神秘现象不仅是真实的，而且产生了解决问题能力的新维度，为量子计算机铺平了道路。

叠加的概念甚至可能超出了本文的范围，但请相信它已被证明是正确的。如果你想了解是什么导致了叠加，那么你首先需要了解波/粒子二象性的概念。

纠缠

好的，进入量子力学的下一个属性，我们需要利用它来创建量子计算机。

众所周知，一旦两个量子系统相互作用，它们就会成为无可救药的纠缠伴侣。从那时起，一个系统的状态将为您提供有关另一个系统状态的精确信息，无论两者相距多远。

说真的，这两个系统可以相距数光年，但仍然可以为您提供有关彼此的精确和即时信息。让我们用一个具体的例子来说明这一点，因为这甚至让爱因斯坦对这怎么可能感到困惑。（爱因斯坦将这种现象称为“远距离的幽灵动作”）

量子纠缠 来源：IBM 研究院

假设有两个电子，A和B。一旦让它们以正确的方式进行交互，它们的旋转就会自动纠缠在一起。从那时起，如果A的自旋是向上的，B的自旋将是向下的，就像两个孩子在跷跷板上一样，即使把A和B带到地球的两端（或银河系，就此而言），也是如此。

尽管它们之间相隔数千英里（或光年），但事实证明，如果测量A的自旋向上，会立即知道B的自旋是向下的。

我们已经了解到，这些系统没有自旋等状态的精确值，而是在测量之前存在于模糊的叠加态中。这就是使用计算机进行计算所需要的。量子计算机以完全不同的方式进行计算，它使用叠加和纠缠的概念来完成计算。

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量子比特

量子比特在量子计算中扮演的角色与比特在经典计算中的角色相同：它是信息的基本单位。

尽管比特和量子比特都会生成两种状态（0 或 1）之一作为计算结果，但量子比特在该结果之前可以同时处于 0 和 1 状态。

就像传统计算机是用开或关的晶体管一点一点地构建一样，量子计算机是用自旋态的电子逐个量子比特构建的，电子要么向上，要么向下。正如处于开/关状态的晶体管串在一起形成在数字计算机中执行经典计算的逻辑门一样，处于上/下自旋态的电子被串在一起形成在量子计算机中执行量子计算的量子门。

由于信息的存储是基于量子物理学，而不是经典计算，科学家们表示，该技术可以比传统计算机更快地执行某些计算，甚至可以比现有计算机更快地解决诸如分解大量数字和破解密码等问题。

量子算法 来源：IBM 研究院

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结论

量子计算革命正在发生。我们刚刚进入一个新的计算时代。下一代计算不是下一代硬件，而是下一代算法和计算方法。

量子计算机使用量子力学原理来解决问题。与经典计算机相比，量子系统的状态本质上是概率性的。这意味着量子计算机可以处理比传统计算机成倍多的计算。

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延伸阅读

量子计算将是未来一个技术制高点，所以目前包括中国在内的很多国家都非常重视对量子计算的研发投入，在量子计算方面，目前中国已经走在了世界前列，比如九章计算机就是一个很典型的例子。

2020年12月，由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的科研团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功研发出了九章量子计算机。

九章量子计算机采用76个光子输出，从而打破了之前谷歌量子计算机玄铃木保持的53光量子的记录，其运行速度更是提升了100亿倍。

2021年5月8日，中国科学技术大学的潘建伟团队宣布研制出了新的量子计算机“祖冲之号”，这是继5个月前出现的“九章”量子计算机之后，中国再一次研发出的新型量子计算机。

在科学最前沿的量子计算机领域，中国已经走在了最前列。

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