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InfoQ|为什么 2020 年代属于量子计算？

作者 ｜ Max Gorynski
本文最初发表在 Medium 博客 ， 经原作者 Max Gorynski 授权 ， InfoQ 中文站翻译并分享 。
如果有一天 ， 量子“旧时王谢堂前燕 ， 飞入寻常百姓家” ， 那么 ， 这一天会是什么时候呢？
“量子” ， 作为句子的修饰语 ， 通常指的是完全超出一般理解范围的东西 ， 如 薛定谔的猫 ， 既死又活 ， 重大的理论突破令人感到遗憾 ， 通往新维度的关键 。 然而 ， 在 21 世纪 20 年代即将来临之际 ， 当人们发现 ， 量子 ， 这个终极不可预测的代名词 ， 已经成为板上钉钉 ， 几近安全的赌注时 ， 既感到兴奋 ， 又令人奇怪地不安 。
或者 ， 至少量子计算就是这样的 。 自 20 世纪 90 年代以来 ， 量子计算一直是技术发展史上最值得期待的里程碑之一 。 现在 ， 我们正处于这一独特的计算分支生命周期的决定性阶段之间 。 量子计算不再仅仅是理论上的保留地 ， 也不再是局限于实验室的追求 ， 现在已经成为大公司、小公司、风投公司、学术机构和国家的主要投资渠道 。 我们越来越多地发现经典计算机主要后裔的应用用途 。 以至于我们认为 ， 到 20 年代末 ， 量子计算有望被视为这十年的决定性技术 。
但是 ， 为什么呢？又会如何？
什么是量子计算机 量子计算机和量子计算 ， 都是利用量子现象来加快执行进程 。 “经典”计算通过常规的二进制（通常称为“0”和“1”）来处理信息 ， 另一方面 ， 像 量子叠加（量子粒子同时存在多个量子状态 ， 而不是在一个位置和状态中）和 量子纠缠（具有纠缠态的两个粒子无论相距多远 ， 只要一个状态发生变化 ， 另外一个也会瞬间发生变化）这样的量子原理 ， 可以用来让计算机处理超出常规二进制原理以外的问题 。
因此 ， 量子计算的基本单位不是比特 ， 而是量子比特（qubit） 。 比特就是 0 或 1 的值 ， 然后排列成长长的标识字符串；而量子比特可以同时是 0 和 1 的值 。 因此 ， 能够接纳这种双向状态的特殊原子 ， 如“离子、光子或微小的超导电路” ， 就是量子计算的基石 。 量子计算机读取给定量子比特是“0”的程度 ， 以及它有多少是“1” 。 这通常被映射到一种量子比特的“球体”上 ， 球体上的一点表示量子比特所拥有的“0”和“1”的数量 。 为此 ， 你可能更容易想到用球体的维度表示值“0” ， 用经度表示值“1” 。 一旦量子位的“坐标”和字符串中的其他坐标被确定 ， 计算机就可以继续执行所表示的函数 。
我们目前的计算模型是建立在机器上的 ， 它本质上是为了使微积分更加简单而设计的 。 尽管我们对计算智能的概念近乎神化 ， 但在我们现在试图使用它完成的其他任务中 ， 经典计算模型并不一定优化得很好 。 正如摩根士丹利（Morgan Stanley）最近在一份报告中所指出 ， “经典计算机在微积分方面非常出色 ， 但量子计算机在排序、查找质数、模拟分子和优化方面甚至更胜一筹 ， 因此 ， 可能会打开通往心机算时代的大门 。 ”
量子计算并不涉及单一的计算模型 。 量子计算有多种可行的方法 ， 包括通过量子门阵列（也称为量子电路）、单向、绝热和拓扑方法 。 绝热模型是目前实现最多的模型之一 ， 也是解决最优化问题的最佳模型 ， 尽管它在性能上尚不能完全超过经典的超级计算机 。 门阵列模型是到目前为止实现最多的另一种模型 ， 虽然功能更为强大 ， 但构建起来却要困难得多 ， 成本也很昂贵 。
正如有多种量子计算模型一样 ， 量子计算机也有一系列提出的物理实现 。 其中包括 超导体、囚禁离子、线性光学 ， 甚至是我们几个月前看到的新闻：科学家在国际空间站上完成了 波色 - 爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate）的制备和观测 。
构建量子比特 对于那些用笔记本电脑紧张地工作 ， 裤子被笔记本电脑烧出洞的人们来说 ， 可能会惊讶地发现 ， 量子计算机居然是在非常低的温度下工作的 。 事实上 ， 量子计算机要求的温度比真空的太空环境的温度还要低 。 量子比特 ， 无论多么强大 ， 都是非常精密的东西 ， 在运行过程中很容易被各种复杂元素（包括热量）的干扰 。


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