量子計算是什麼？量子計算機做什麼？ - 彭博社

量子計算機的一部分。攝影師：斯文·霍普/圖片聯盟/蓋蒂圖片社四十年前，物理學家們理論上認為，量子物理的令人費解的機制可以被利用來製造一種新型計算機，其性能比傳統機器強大得多。一系列突破現在使“量子實用性”更接近現實。開發足夠準確的機器以忠實模擬複雜現實現象的行為，並在藥物開發、金融建模和人工智能等各個領域實現飛躍的競賽正在進行中。

量子計算機的吸引力是什麼？

它們可以做傳統計算機無法做到的事情。谷歌在12月透露，其最新的量子處理器威洛在五分鐘內解決了一個問題，即使是世界上最強大的超級計算機也無法解決，即使它們從宇宙開始就一直在處理這個問題。

實驗性量子計算機通常被賦予傳統計算機無法處理的任務，因為變量輸入太多。它們的最大潛力在於建模涉及大量運動部件的複雜系統，這些部件的特性在相互作用時會發生變化。例如，它們可能會複製分子的行為，以加速新藥的開發，或模擬經濟參與者和金融中介的決策，以使市場預測更準確。

量子計算機預計在大多數今天的計算機所完成的繁瑣但簡單的工作中不會有太大用處，這些計算機在大規模上順序處理相對有限數量的孤立輸入。

誰在製造量子計算機？

D-Wave Quantum Inc.，一家在加利福尼亞州總部的加拿大創辦公司，於2011年成為首個銷售量子計算機的公司。國際商業機器公司、Alphabet Inc.的谷歌、亞馬遜網絡服務以及眾多初創公司都已創建了可工作的量子計算機。

最近，像微軟公司這樣的公司在構建可擴展和實用的量子超級計算機方面取得了進展。英特爾公司開始向研究人員發貨一種硅量子芯片，該芯片具有晶體管，稱為量子比特（qubits），其尺寸比其他類型的量子比特小多達100萬倍。

谷歌和IBM，以及初創公司Universal Quantum和PsiQuantum Corp.，聲稱他們將在本十年末交付一台有用的量子超級計算機。中國正在建設一個價值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。

量子計算機是如何工作的？

它們使用微小的電路進行計算，傳統計算機也是如此。但它們以並行方式進行這些計算，而不是順序進行，這使得它們如此快速。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狀態之一——0或1——這對應於計算機芯片上稱為邏輯門的部分是打開還是關閉。在傳統計算機處理下一條信息之前，它必須為前一條信息分配一個值。

相比之下，由於量子力學的“概率”特性，量子計算機中的量子比特在計算完成之前不必被賦予值。這被稱為“疊加態”。因此，傳統計算機中的三個比特只能表示八種可能性之一——000、001、010、011、100、101、110和111——而一個具有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，一個具有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，並且每增加一個量子比特，其計算能力將翻倍。這就是為什麼量子計算機能夠處理比經典計算機多得多的信息。

為什麼量子計算會更快

像破解加密或繪製分子結構這樣的難題可能需要篩選數百萬種可能性。

它是如何返回結果的？

在設計標準計算機時，工程師花費大量時間確保每個比特的狀態與其他比特的狀態相互獨立。但量子比特是糾纏的，這意味着一個量子比特的屬性依賴於周圍量子比特的屬性。這是一個優勢，因為信息可以在量子比特之間更快地傳遞，因為它們共同工作以得出解決方案。當量子算法運行時，來自量子比特的矛盾（因此不正確）結果會相互抵消，而兼容（因此可能）結果會被放大。這種現象稱為相干性，使計算機能夠輸出它認為最有可能正確的答案。

如何製作量子比特？

理論上，任何表現出量子力學特性且可以被控制的東西都可以用來製作量子比特。許多量子比特是由半導體制成的，IBM、D-Wave和谷歌使用微小的超導線圈。一些科學家通過操控被捕獲的離子、光子脈衝或電子自旋來創建量子比特。這些方法中的許多需要非常特殊的條件，例如比深空中發現的温度更低的温度。

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多得多的信息，但它們固有的不確定性使得它們容易出錯。當量子比特之間失去相干性時，錯誤會潛入它們的計算中。理論家們正在努力開發算法來糾正其中的一些錯誤。但修復的一個不可避免的部分是增加更多的量子比特。

科學家估計，一台計算機需要數百萬——如果不是數十億——量子比特才能可靠地運行適合商業使用的程序。目前連接的量子比特記錄是1,180，由加利福尼亞初創公司Atom Computing在2023年10月創造——是之前記錄433的兩倍多，由IBM設定於2022年11月。將足夠多的它們粘在一起是主要挑戰。隨着計算機體積的增大，它會發出更多的熱量，這使得量子比特更容易失去相干性。谷歌的Willow芯片被視為突破，因為即使在更多量子比特聚集在一起時，錯誤率也下降了。

我什麼時候能得到我的量子計算機？

這取決於你想用它做什麼。學術界已經通過基於雲的IBM量子平台在100個量子比特的機器上解決問題，公眾可以 試用（如果你知道如何開發量子代碼）。科學家們的目標是在未來十年內交付一種適合商業應用的所謂“通用”量子計算機。

量子計算機巨大的問題解決能力的一個潛在缺點是它們可能 輕易破解經典加密系統。或許我們距離廣泛的量子計算的最佳指示是，各國政府正在 簽署指令，企業也在投入數百萬美元以保護傳統計算系統免受量子機器的破解。

參考資料

• IBM的 初學者指南 量子計算機。
• 在谷歌的Willow突破之後，彭博社編輯討論了量子計算是否終於 成為現實。
• 麻省理工學院技術評論 探討 量子計算機的可能用途。
• 麥肯錫展示了 不同的方式 來設計量子比特。