量子計算機距廣泛應用還遠嗎

【今日視點】

◎本報記者 張佳欣

1981年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼在美國麻省理工學院發表了一場演講。他提出了一個前所未有的想法：利用量子力學的奇異特性來進行計算。費曼的這一理念猶如一顆開創性的種子，為量子計算領域的興起奠定了基礎。

但是，歷經多年迅猛發展，物理學家們仍未打造出既適用於日常使用又能在正常條件下穩定運行的實用量子計算機。

不過，就在近日，澳大利亞《對話》雜誌刊文稱，實用的量子計算機即將實現。微軟公司也認為，是時候為量子計算機時代做準備了。

那麼，量子計算機有哪些優勢？人們距離量子計算機的廣泛應用還有多遠的路程呢？

能快速找到最佳解決方案

一次性洞悉一個問題的全部潛在解決方案，就像被賦予了一種超能力，可以在錯綜複雜的迷宮中同步探索所有潛在路徑，從而迅速鎖定正確出口。基於這樣的設想，量子計算機在追尋最優解的過程中展現出驚人的速度，無論是尋找最短路徑，還是解決問題的最快方式，皆能輕鬆應對，遊刃有餘。

舉個例子，航空公司需要在航班延誤或意外事件後重新安排航班，這是現實生活中時常遇到的問題，但其解決方案往往並非最優。為了計算出最佳的應對措施，經典計算機需要逐一考慮所有可能的航班調整方案，其複雜程度令人咋舌。

然而，量子計算機卻能一次性嘗試所有這些可能性，讓最佳配置自然而然地浮出水面。此外，量子比特還具有一種被稱為糾纏的物理特性。當量子比特糾纏在一起時，一個量子比特的狀態可以影響另一個量子比特的狀態，無論它們相隔多遠。這一特性同樣是經典計算機所不具備的，這使得量子計算機比經典計算機能以指數級的速度解決某些問題。

會完全取代經典計算機嗎

量子計算機在解決特定問題方面具有得天獨厚的優勢，如模擬分子間的相互作用、從多個選項中找到最佳解決方案或處理加密和解密等。但它們並不適用於每種類型的任務。

經典計算機按照線性順序依次處理每個計算，遵循經典算法，這使得它們具有很強的可預測性，穩健且不易出錯。對於日常計算需求，如文字處理或瀏覽互聯網等，經典計算機仍將在較長時間內繼續佔據主導地位。

這至少有兩個原因。第一個原因在於實用性。要想打造一台能穩定計算的量子計算機，簡直難如登天。量子世界極不穩定，量子比特極易受到周圍環境諸如電磁輻射等因素的侵擾，稍有不慎便會出錯。

第二個原因在於處理量子比特時固有的不確定性。量子比特處於疊加態，既不是0也不是1，因此它們不像經典計算中那樣可預測。因此，物理學家用概率來描述量子比特及其計算。這意味着，即便是使用相同的量子算法，在相同的量子計算機上反覆求解同一問題，也可能會每次都得到截然不同的答案。

為了應對這種不確定性，量子算法通常會運行多次。然後，研究人員會對這些結果進行統計分析，以確定最可能的正確答案。利用這種方法研究人員才能從量子計算中提取出有意義的信息。

未來十年或將大放光彩

從商業角度來看，量子計算機的發展仍處於萌芽階段，但格局已初具規模。每年都有眾多新公司如雨後春筍般湧現，其中不乏像IBM和谷歌這樣的行業巨頭，也有如IQM、Pasqal以及Alice和Bob等初創企業嶄露頭角。他們都在致力於使量子計算機更加可靠、可擴展且易於訪問。

過去，製造商常以量子計算機中的量子位數量作為衡量機器性能的指標，如今，他們越來越重視找到糾正量子計算機容易出錯的方法。這一轉變對於開發大規模、容錯性強的量子計算機至關重要，這些技術對於提高其可用性至關重要。

谷歌最新的量子芯片Willow在這一領域取得了顯著進展。谷歌在Willow中使用的量子比特越多，錯誤率就越低。這標誌着在構建能徹底改變醫學、能源和人工智能等領域的商業量子計算機方面邁出了重要一步。

光陰流轉，量子計算已成為計算機科學中一個備受矚目的研究領域。儘管仍處於起步階段，但專家預計，其在未來十年將取得重大進展。