量子计算入门指南：它是如何工作的？现在怎样了？

Insigne

谷歌宣称已经实现“量子霸权”，IBM微软也在开发量子计算机，可以说量子计算已经成为当下炙手可热的前沿技术！到底什么是量子计算，介绍与说明很多，今天这篇文章只有2000字，但它简要介绍了量子计算机，想科普一下的同学可以读读。本文编译自medium原题为“Quantum Computing:An Introduction for Programmers”的文章。

' V+ b9 m" U2 m5 P0 _  x& i7 g

解决复杂问题时，量子计算机并不比人强多少。量子计算机将复杂任务分解成许多简单任务，与人类相比，计算机处理简单任务时快很多，这就是计算机的优势所在。但经典计算机存在限制：任务必须按顺序出现。正因如此，如果任务太复杂，或者数据库太大，想找到解决方案就会耗费很长时间。许多时候问题太庞大，从数学层面看，即使是最强大的超级电脑也没有办法突破序列任务设定的障碍，但量子计算机可以，因为它有一些有趣的特征：叠加、纠缠和干涉。

2 Y5 k8 S4 L# e8 j6 y9 ]0 m  s

$ X  r5 Q, b1 Q2 j( k6 W( C

如何工作的

% p$ J* U5 U3 I' s& Z- |

为了解释这种现象，我们回退一步。当计算机将复杂任务分解成简单小任务时，最简单的任务是什么？就是在两个选项之间选择，比如在A或者B、真或者假、头或者尾之间选择，这些都是二元问题。在计算机中，二进制代码（用1或者0代表）可以转化为计算机电路开关中的“开或者关”。虽然二进制解决方案（信息比特）能以惊人的速度交流信息，但读取时必须一个接一个读取。量子计算机的效率高很多。与比特等价的是量子比特，从本质上讲它相当于一个可以承载可测量信息的粒子。

比特必须以一种二元状态或者另一种状态存在，但量子比特可以以量子态（叠加）存在，它可以在同一时间以两种状态存在。量子力学从很大程度上说就是概率游戏，量子比特变成状态A或者B的概率可能是50/50，也可能是70/30、10/90或者其它比例。你可以这样想像：量子比特的位置位于AB之间，或者位于球面的某个位置，球的一端是A状态，另一端是B状态。不论怎样，因为量子有叠加特点，所以它可以同时在多个位置出现。为了找到问题的解决方案，量子比特一次可以沿多条路径前进，但比特一次只能选一条。

  }7 v& c0 q9 C' q0 W

迪杰斯特拉算法(Dijkstra)可以帮我们找到抵达目的地效率最高的路径，量子比特没有必要一条一条路探索（经典计算机正是这样做的），它可以同时分析多条路径，以更快的速度找到最棒的路径。当问题越复杂，输入信息越庞大，经典计算机寻找路径的时间就会越长。量子计算不一样，它的效率高很多。

想挖掘量子叠加的优势，时间很关键，因为量子比特与测量设备接触时叠加特性会受到影响。我们管这种物理法则叫作“观测者效应”。粒子虽然会同时表现出粒子和波的特点，但是当我们观测时只能记录其中一种。到底记录到其中的哪一种取决于观测。所以说，当我们想探知量子比特携带怎样的信息时，就会面临这样的障碍。

  @7 K  ]& Q9 A; G; [2 o* u- ]

我们可以利用量子力学的第二个特点来克服 “观测者效应”，这个特点就是“纠缠”（entanglement）。物理家已经证实“纠缠”的存在，也就是两个粒子不管相隔多远，都能联系在一起。现在我们可以操纵几十个量子比特，让它们变成单一的纠缠状态，这样我们就能建立一个网络，它有2的n次方种可能性（n就是网络中量子比特的数量），它们可以协同工作。

如果量子比特携带相同的信息，如何处理？那就要谈谈量子干涉了，粒子具有波的特点，干涉是波的特征之一。当波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇，彼此互补，效果就会放大，这就是相长干涉。如果波峰与波谷相遇，就会抵消，这就是相消干涉。当超过一个量子比特处于相长干涉状态，它们的效果就会放大，这样就可以传输信息了。

) m6 n: Y0 Q7 N* ~, U

现在已经走到了哪一步

# A0 W+ |! |% v4 R/ U- V

要想让量子网络真正发挥潜能，还有一些障碍要跨越。虽然与经典计算机相比量子计算机解决问题的速度更快（也就是所谓的量子优势），但是即使是当今最大、最稳定的量子系统，在商业上还是没有实用价值。

实际上，往纠缠系统中添加量子比特是一件非常难的事，因为网络非常脆弱。1998年，IBM、牛津、加州伯克利大学、斯坦福、MIT成功将一对量子比特组合。20年后，谷歌刷新纪录，将量子比特数量增加到72个。

虽然纠缠能从一定程度上解决“观察者效应”这一问题，但是量子状态还是容易被破坏，而且量子特征的持续时间也很有限。量子系统必须在退出叠加状态、进入退相干状态之前找到解决方案，否则就会失败。

" i* d; @# U, D- V, e

外部因素也会导致量子比特退出叠加状态，虽然我们可以增加量子比特的数量，但是量子比特越多，越容易受到外部因素的影响。现在行业一般会用激光器、磁场、超导体创建一个环境，延长量子状态的寿命（寿命一般用毫秒来计算），这样能降低“出错率”。

当出错率下降，观测系统也许能取得突破，我们可以根据观测开发更棒的量子算法。一些行业玩家已经允许客户通过云进入量子计算网络，这样就能让研发变得更容易。

& O' H; B* O& L  f

一旦我们可以建立足够庞大、足够稳定的量子比特网各，一旦出错率降得足够低，量子计算机解决经典问题时速度会更快，不只如此，它还可以解决经典计算机解决不了的问题。

* v. Y: f4 |8 c' ]

到了这一阶段就能实现“量子霸权”。也有人认为“量子霸权”不可能实现，因为受到了物理原则和理论的限制，量子计算不可能走到这一步。

有何可能性？

一旦“量子霸权”真正实现，量子计算可以在许多科研领域派上用场，用来解决复杂问题。在复杂而庞大的数据库上查询时，它的处理速度更快；到时机器学习将会突飞猛进；我们可以模拟更加复杂的分子结构，了解它们的行为，这样就可以在医学领域取得更多突破。

5 m, y$ N8 @: B) N

有了强大的模拟能力，对工业和科技产业也是好事。不过量子计算机无法取代经典计算机，它要与现代机器结合起来用。有了量子计算机，一些领域将会迎来变革。

当AI、机器学习与量子计算结合，也许会有很大的突破。网络安全行业也会拥抱量子技术，因为即使是今天最棒的经典加密技术，在量子系统面前也不堪一击。

/ @- P9 s' ^& E( _- L2 v' G

神译局  译者：小兵手

% p; g+ Q0 c& l2 h1 B. o0 k