量子計算是什麼？量子計算機能做什麼，我能買到嗎？- 彭博社

D-Wave Systems Advantage 量子計算機。

攝影師：Lukas Schulze/Getty Images

四十年前，計算機工程師們正在理論上探討，量子物理學的令人費解的機制可以被利用來製造一種比傳統機器指數倍更強大的新型計算機。一系列突破已經使“量子效用”觸手可及，工程師們展示了能夠進行復雜計算的計算機，這種計算對於最強大的超級計算機來説是難以想象的。一場競賽正在進行中，目標是開發更大的機器，能夠準確模擬複雜的現實現象的行為，並在藥物開發、金融建模和人工智能等領域取得飛躍。

1. 量子計算機的吸引力在哪裏？

它們能做一些經典計算機做不到的事情。Google在四月份透露，其一台量子計算機在幾秒鐘內解決了一個問題，而這個問題對於全球最強大的超級計算機來説需要47年的時間。實驗性的量子計算機通常被賦予傳統計算機需要太長時間才能完成的任務，比如模擬複雜分子的相互作用以進行藥物發現。它們最大的潛力在於模擬涉及大量移動部件的複雜系統的行為，這些部件在相互作用時會發生變化，比如預測金融市場的行為、優化供應鏈以及操作大型語言模型用於生成式人工智能。人們不指望它們在大多數今天計算機所完成的繁瑣但更簡單的工作上有太多用處，這些工作是在大規模上順序處理有限數量的孤立輸入。

2. 誰在建造它們？

加拿大公司 D-Wave Systems Inc. 於2011年成為第一家銷售用於解決優化問題的量子計算機的公司。 國際商業機器公司、Alphabet 公司的 Google、亞馬遜 Web Services 和眾多初創公司都已經製造出可用的量子計算機。最近，微軟公司等公司已經在建造可擴展和實用的量子超級計算機方面取得了進展。 英特爾公司 已經開始向研究人員交付了一種名為量子比特（qubits）的晶體管的硅量子芯片，其尺寸比其他類型的芯片小了多達100萬倍。微軟和包括初創公司 Universal Quantum 在內的其他公司預計將在未來十年內建造一台量子超級計算機。中國 正在建造 一座價值100億美元的國家量子信息科學實驗室，作為該領域的重大推動的一部分。

3. 量子計算機是如何工作的？

它們使用微小的電路進行計算，就像傳統計算機一樣。但是它們是並行進行這些計算，而不是順序進行，這就是它們如此快速的原因。普通計算機以稱為比特的單位處理信息，比特可以表示兩種可能的狀態——0或1——對應於計算機芯片的一個稱為邏輯門的部分是打開還是關閉。在傳統計算機轉移到處理下一個信息之前，它必須為上一個信息分配一個值。相比之下，由於量子力學的概率性方面，量子計算機中的量子比特不必在計算機完成整個計算之前被分配一個值。這就是所謂的“疊加”。因此，雖然傳統計算機中的三個比特只能表示八種可能性——000、001、010、011、100、101、110 和 111——但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大小的傳統計算機的16倍，並且隨着每增加一個量子比特，其處理能力將成倍增加。這就是為什麼量子計算機可以處理的信息數量呈指數級增長，遠遠超過經典計算機。

為什麼量子計算會更快

諸如破解加密或繪製分子結構等問題可能需要對數百萬種可能性進行排序。

4. 它是如何返回結果的？

在設計標準計算機時，工程師們花費大量時間來確保每個比特的狀態與其他所有比特的狀態都是獨立的。但量子比特是糾纏在一起的，這意味着一個量子比特的屬性取決於其周圍的量子比特的屬性。這是一個優勢，因為信息可以在量子比特之間更快地傳輸，它們共同努力以得出解決方案。當量子算法運行時，來自量子比特的矛盾（因此不正確）的結果互相抵消，而兼容（因此可能）的結果被放大。這種現象稱為相干性，它允許計算機輸出它認為最有可能是正確的答案。

5. 如何製造量子比特？

理論上，任何表現出可以被控制的量子機械特性的東西都可以用來製造量子比特。IBM、D-Wave和Google使用微小的超導線圈。其他人使用半導體，有些人則同時使用兩者。一些科學家通過操縱被困離子、脈衝光子或電子的自旋來創建量子比特。這些方法中的許多都需要非常專門的條件，比如比深空中的温度還要低的温度。

6. 需要多少量子比特？

很多。儘管量子比特可以處理比經典比特指數級別更多的信息，但它們固有的不確定性使它們極易出現錯誤。當量子比特失去彼此之間的相干性時，錯誤就會產生。在實驗室之外，科學家們只能讓量子比特保持相干性的時間為秒的一小部分時間 — 在許多情況下，這段時間太短，無法運行整個算法。理論家正在努力開發一些能夠糾正這些錯誤的算法。但修復的一個不可避免的部分是增加更多的量子比特。科學家們估計，一台計算機需要數百萬甚至數十億個量子比特才能可靠地運行適用於商業用途的程序。將它們足夠連接在一起是主要挑戰。隨着計算機變得越來越大，它會釋放更多熱量，這使得量子比特更有可能失去相干性。目前量子比特連接的記錄是由加利福尼亞初創公司Atom Computing在2023年10月取得的1,180個，比IBM在2022年11月創下的433個的記錄多出一倍。

7. 我什麼時候能得到我的量子計算機？

這取決於你想用它來做什麼。學術界已經通過基於雲的IBM量子平台在100量子比特的機器上解決問題，普通大眾也可以嘗試（如果你知道如何開發量子代碼）。科學家們計劃在未來十年內推出一種稱為“通用”的適用於商業應用的量子計算機。量子計算機巨大的問題解決能力之一是它們有可能破解經典加密系統。也許最好的指示我們離量子計算有多近的跡象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，防止被量子計算機破解。

參考書架

• Bloomberg觀點的Andy Mukherjee探討了量子計算機是否可能威脅數字貨幣的安全。
• 2017年Bloomberg Markets對量子計算的概述。
• 麻省理工技術評論探討了量子計算機的可能用途。
• 麥肯錫展示了不同的方法來設計量子比特。
• IBM的初學者指南量子計算機，以及公司研究人員如何使用這些機器的博客。