量子计算的需求、前景和现实

尽管数字革命给我们带来了人类历史上最壮观的技术创新浪潮，但仍有一些计算问题似乎无法解决，其中一些可能会阻碍关键的科学突破，甚至阻碍全球经济。几十年来，传统计算机的功率和处理速度几乎每两年翻一番，但它们仍未解决这些长期存在的问题。原因是什么呢？计算机科学家可能会给出相同的答案：今天的数字、传统计算机是建立在经典的、非常有限的计算模型之上的。从长远来看，为了有效解决世界上最棘手的计算问题，我们将不得不求助于全新的、功能更强大的量子计算机。

归根结底，传统计算机和量子计算机之间的区别并不像旧车和新车之间那样，而是像马和鹰之间的区别：一个可以奔跑，而另一个可以飞。本文将仔细研究其关键区别所在，并深入探讨量子计算机的独特之处。

经典计算的硬性限制

摩尔定律

几十年来，传统计算机的*速度和计算能力每两年翻一番（有些人认为仅仅只有一年半），这被称为摩尔定律。尽管飞速发展的步伐可能终于开始略有放缓，但今天占满房间的超级计算机就是明天的廉价笔记本电脑，这或多或少是可能的。因此，以这种速度，似乎可以合理地假设，在可预见的未来，没有传统计算机最终无法处理的计算任务。然而，除非我们谈论的是数万亿年（甚至更长）的时间，否则当涉及到某些棘手的任务时，这根本不是一个安全的假设。

传统计算机的致命弱点

事实上，即使是未来最快的传统计算机，也可能无法完成诸如快速找到非常大整数的质因数这样的计算任务。这背后的原因是，寻找一个数的质因数是一个呈指数增长的函数。指数增长，是理解为什么量子计算机具有如此大的潜力以及为什么传统计算机不足的一个非常重要的部分。随着“事物”数量的增加，一部分会以同样的速度增长，而另一部分会增长得更快。当增长相对于增长的总数变得更快（不是恒定的）时，那么它就是指数级的。

指数增长非常强大，其最重要的特征之一是虽然起步缓慢，但它可以相当迅速地产生巨大的数量。或许有个小故事可以帮助我们更好地理解指数增长。

传说中，一位智者得到了国王的赏赐，他请求国王奖励他，在棋盘的*格上放一粒米，第二格放两粒米，第二格放四粒米……以此类推，每个方格的谷物数量都是前一个方格的两倍。国王同意了他的请求，但很快意识到填满棋盘所需的大米比整个王国都多，这将使他耗尽所有资产。

任何正方形上的颗粒数反映了以下规则或公式:

在这个公式中，k是正方形的数，N是正方形上的米粒数。

如果 k = 1(*个平方) ，则  N = 2⁰，等于1。

如果 k = 5(第五个平方) ，则 N = 2⁴，等于16。

这是指数增长，会随着平方的增加而增加。

为了进一步概念化这个问题，我们来看一个关于指数增长输入量与指数函数输入量之间关系的图表。如图所示，该函数的启动相对较慢，但很快就会达到任何一台经典计算机都无法在足够大的输入尺寸下计算的数字。

回到现实世界中的指数问题，质因数分解。

以数字51为例，要花多长时间才能找到两个*的质数相乘得到它呢？如果熟悉这类问题，可能只需要几秒钟就能找到质数3和17，相乘得到51。事实证明，这个看似简单的过程是数字经济的核心，也是我们最安全的加密类型的基础。我们在加密中过程中，当用于质因数分解的数字变得越来越大时，传统计算机将越来越难以分解它们。一旦你达到了一定数量的数字，你会发现即使是最快的传统计算机也需要几个月、几年、几个世纪、几千年，甚至无数个亿来计算它。

有了这个想法，即使在可预见的未来，计算机的处理能力会每两年翻一番，它们也将始终与质因数分解作斗争。在现代科学和数学的核心，其他同样棘手的问题包括某些分子建模和数学优化问题，这些问题有可能使任何敢靠近它们的超级计算机崩溃。

量子计算机登场

传统计算机是严格的数字计算机，完全依赖经典的计算原理和特性。而量子计算机严格来说是量子的，因此它们依赖于量子原理和性质，最重要的是叠加和纠缠，这使得它们几乎具有奇迹般的能力来处理看似不可能解决的问题。

叠加

为了理解叠加的概念，我们需要考虑一个简单的系统：双态系统。一个普通的、经典的双状态系统就像一个开关，它总是处于一种状态(On)或另一种状态(Off)。然而，双态量子系统完全是另一回事。当我们测量它的状态时，会发现它确实不是开着就是关着，就像经典系统一样。但在测量之间，量子系统可以同时处于开态和关态的叠加状态。

一般来说，物理学家认为，在测量之前讨论量子系统的状态(比如自旋)是没有意义的。有些人甚至认为，测量量子系统的行为会导致它从一个不确定的模糊状态崩溃到你测量的值(开或关，上或下)。虽然可能无法想象，但不可否认这种神秘的现象不仅是真实的，而且为解决问题的能力提供了一个新的维度，为量子计算机铺平了道路。

纠缠

接下来是量子力学的下一个性质，我们需要利用它来创建量子计算机。

众所周知，一旦两个量子系统相互作用，它们就会无可救药地成为纠缠在一起的伙伴。从那时起，一个系统的状态将会提供关于另一个系统状态的精确信息，无论这两个系统相距多远。这两个系统可能相距数光年，但仍然能给出关于对方精确和即时的信息。

量子比特

量子比特/量子位在量子计算中的作用与经典计算中的一样: 它是信息的基本单位。然而，与量子比特相比，比特则彻头彻尾的无意义。虽然比特和量子位都生成两个状态(0或1)中的一个作为计算的结果，但是一个量子位可以同时处于0和1两种状态之前。这听起来是不是很像态叠加原理？没错，量子位是*秀的量子系统。

正如传统计算机是用开或关的晶体管一点一点构建的，量子计算机则是由处于向上或向下自旋态的电子逐个量子位构建。正如处于开/关状态的晶体管串在一起形成在数字计算机中执行经典计算的逻辑门一样，处于上/下自旋状态的电子串在一起形成在量子计算机中执行量子计算的量子门。

我们如今走到了哪一步？

当英特尔(Intel)忙于生产每片有数十亿个晶体管的传统芯片时，世界*的实验计算机科学家们仍在努力建造一个拥有超过少数量子位的量子计算机“芯片”。IBM推出了世界上*的量子计算机，它有50个量子位，这是一件大事。尽管如此，这只是一个开始，如果类似摩尔定律的东西适用于量子计算机，我们应该在几年内达到数百台，再过几年就会达到数千台，不需要10亿个量子比特就能在一些关键类别上胜过传统计算机，比如素分类、分子建模和一系列传统计算机如今还无法触及的优化问题。

等待突破的障碍

量子计算机尚未成为主流的主要原因是，世界上*秀的头脑和发明家仍在与高错误率和低量子位位数作斗争。当我们一起解决这两个问题时，我们将迅速增加IBM所说的每台计算机的“量子体积”，这是一种可视化量子计算机可以执行的有用计算的*数量的方法。

简而言之，要让量子计算起飞，让量子驱动的macbook开始热销，我们需要更多的量子比特，而错误则要少得多。这需要时间，但至少我们知道我们的目标是什么，我们面对的是什么。

神话vs解释

虽然我们知道量子计算机可以轻松地完成传统计算机无法想象的事情，但我们并不真正知道它们是如何做到的。如果这听起来令人惊讶，考虑到*代量子计算机已经存在，请记住量子这个词。一个世纪以来，我们一直在使用量子力学来解决问题，但我们仍然不知道它是如何运行的。

量子计算作为量子家族的一员，也是同舟共济。迈克尔·尼尔森(Michael Nielsen)（基本上就是他写了这本关于量子计算的书）令人信服地指出，任何关于量子计算的解释都注定会失之偏颇。毕竟，根据尼尔森的说法，如果对量子计算机的工作原理(即可以可视化的东西)有一个简单的解释，那么它就可以在传统计算机上进行模拟。但如果它可以在传统计算机上模拟，那么它就不能成为量子计算机的准确模型，因为量子计算机根据定义可以做传统计算机无法做的事情。

根据尼尔森的说法，*的假装解释量子计算的神话被称为量子并行。我们会经常听到量子并行的故事。量子并行性背后的基本思想是，与传统计算机不同，量子计算机同时探索所有可能的计算结果/解决方案(即在单个操作中)，而数字计算机必须缓慢前进，按顺序查看每个解决方案。根据尼尔森的说法，量子并行故事的这一部分大致是正确的。然而，他尖锐地批评了这个故事的其余部分，接着说，在研究了所有的解决方案之后，量子计算机挑出了*的一个。根据尼尔森的说法，这是一个想象。他坚持认为量子计算机和所有量子系统一样，其背后真正做的事情完全超出了我们的能力范围。我们只能看到输入和输出，而在这两者之间发生的事情是未知的。

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