量子计算机走向实用

　　参考消息网1月20日报道　澳大利亚“对话”网站1月13日发表题为《我们正在接近可以实用的量子计算机——以下是它们的用途》的文章，作者是英国英吉利拉斯金大学智能系统与数据科学副教授多梅尼科·维奇南扎，编译如下：

　　1981年，美国物理学家和诺贝尔奖得主理查德·费曼在波士顿附近的麻省理工学院授课时概述了一个革命性的理念——量子力学的奇特物理可以用于计算。

　　量子计算领域由此诞生。从那时起的四十多年里，它已经成为计算机科学一个深入细致研究的部分。尽管经过多年疯狂发展，物理学家仍然未能制造出实用量子计算机——适合日常使用和普通条件（比如，许多量子计算机需要在非常低的温度下运行）。在达到这一里程碑的最佳途径问题上仍然存在一些疑问和不确定性。

　　量子计算究竟是什么，我们距离看到它们进入广泛应用还有多远？让我们先看看经典计算——我们目前依赖的计算类型，比如我用来写这篇文章的笔记本电脑。

　　经典计算机用“比特”（它们最小的数据单位）的组合来处理信息。这些比特的值为0或1。你在计算机上做的所有事情，从写电子邮件到浏览网络，都是通过处理这些比特的组合（一串串的0和1）才成为可能。

　　量子计算机使用量子比特。与经典比特不同，量子比特不是只代表0或1。因为一种被称为量子叠加的属性，量子比特可以同时处于几种状态。这意味着量子比特可以是0、1，或者同时两者都是。这种状况赋予了量子计算机同时处理大量数据和信息的能力。

　　想象一下吧，能够同时探索一个问题所有可能的解决方案，而不是逐个探索。这将让你可以引导自己穿过迷宫，方法是同时尝试所有可能的路径以找到正确的那条路。因此，量子计算机可以用快到难以置信的速度找到最佳的解决方案，比如识别出最短的路径、最快的路线。

　　想想这个极度复杂的问题：在发生延误或意料之外的事故后重新安排航班时间表。这种情况在真实世界里经常发生，但采用的解决方案或许不是最好或最理想的。为了算出最理想的应对方法，常规计算机需要一个一个地考虑所有可能的组合，涉及航班调动、变更航线、延误、取消或航班分组。

　　每天都有超过4.5万个航班，由500多家航空公司组织，连接4000多座机场。经典计算机解决这个问题需要几年。

　　另一方面，量子计算机则可以同时尝试所有这些可能并让最佳配置方案浮现。量子比特还有一种被称为纠缠的属性。当量子比特纠缠在一起时，一个量子比特的状态取决于另一个的状态，不论它们相距多远。

　　这又是一种在经典计算中找不到对应情况的现象。纠缠让量子计算机解决某些问题的速度远超传统计算机。

　　一个常见的问题是量子计算机是否会完全取代经典计算机。简短的答案是“不会”，至少在可以预见的将来不会。量子计算机解决某些特定问题的能力强大到不可思议——比如模拟不同分子之间的相互作用，从许多选择中找到最佳解决方案或者处理加密和解密。但它们并非适合执行所有类型的任务。

　　经典计算机按照线性顺序一次处理一个计算，它们遵循算法（为执行特定计算任务而设置的多套数学规则），而算法是为使用0或1的经典比特而设计的。这让它们有很强的可预测性、稳固并且与量子计算机相比不那么容易出错。对文字处理或浏览互联网等日常计算需求来说，经典计算机将继续扮演主导角色。

　　这至少有两个原因，第一个是实用性。制造能够进行可靠计算的量子计算机非常困难。量子世界非常不稳定，量子比特很容易受到它们所处环境中其他事物的影响，比如电磁辐射干扰——这让它们容易出错。

　　第二个原因是在同量子比特打交道时天生存在的不确定性。因为量子比特处于叠加（既不是0也不是1）状态，它们不像经典计算使用的比特那样可以预测。因此物理学家用概率来描述量子比特和它们的计算。这意味着同样的问题，使用同样的量子算法，在同一台量子计算机上多次运算可能每次得到的解决方案都不同。

　　为了应对这种不确定性，量子算法一般都会多次运算。然后，对结果进行统计分析以确定最有可能的解决方案。这种方法让研究人员可以从天生带有概率属性的量子计算中提取有意义的信息。

　　从商业角度看，量子计算的发展仍然处于早期阶段，但整体形势非常多元化，每年都有许多新公司出现。人们很高兴地看到除国际商用机器公司和谷歌等老牌大企业外，还有一些新企业加入，比如IQM量子计算机公司、帕斯卡尔量子技术公司以及爱丽丝与鲍勃公司等初创企业。它们都致力于让量子计算机更加可靠、更容易扩大规模和更易获取。

　　过去，制造商吸引人们关注它们生产的量子计算机的量子比特数量，将之作为衡量其计算能力有多强的标准。现在，制造商正越来越多地把修正量子计算机易犯错误的方法放在优先考虑的位置。这样的改变对开发大规模容错量子计算机来说至关重要，因为这些技术是增强它们可用性的根本。

　　谷歌最新的量子芯片威洛最近在这方面展示了非凡的进步。谷歌在威洛里使用的量子比特越多，它减少的错误就越多。这一成就标志着朝制造有商用价值的量子计算机迈出了重要的一步，这样的量子计算机可以让医药、能源和人工智能等领域发生革命性的变化。

　　经过了四十多年，量子计算仍然处于婴幼儿期，但未来十年预计会取得重大进展。量子计算机的概率属性表明量子和经典计算之间存在着根本区别，这让它们很脆弱并且很难开发和扩大规模。与此同时，这也让它们成为非常强大的解决优化问题的工具，可以同时探索多个解决方案，比经典计算机速度更快且更有效。 （编译/杨新鹏）