四十年前，物理学家们曾设想，利用令人费解的量子物理机制，可以制造出一种新型计算机，其性能将远超传统机器。如今，一系列突破性进展让“量子实用化”离现实越来越近。一场竞赛正在悄然展开，目标是开发出足够精确的量子计算机，以准确模拟复杂现实世界的现象，并在药物研发、金融建模和人工智能等各个领域实现飞跃。
量子计算机的魅力何在？
它们能够完成传统计算机无法完成的任务。谷歌在12月透露，其最新的量子处理器Willow在五分钟内解决了一个问题，而这个问题即使让世界上最强大的超级计算机从宇宙诞生之初就开始计算，也无法解决。
实验性量子计算机通常被赋予那些会让传统计算机感到困惑的任务，因为这些任务涉及太多可变输入。量子计算机的最大潜力在于模拟涉及大量运动部件的复杂系统，这些部件在相互作用时特性会发生变化。例如，它们可以复制分子的行为，以加速新药的研发，或者模拟经济行为者和金融中介的决策，使市场预测更加准确。
然而，对于当今大多数计算机所承担的繁琐但更简单的任务，量子计算机预计并不会有多大用处。这些任务涉及大规模地顺序处理数量相对有限的独立输入。
谁在研发量子计算机？
加拿大公司D-Wave Quantum Inc.于2011年成为首家销售量子计算机的企业。此后，IBM、谷歌、亚马逊以及众多初创公司都成功研发出了可用的量子计算机。
最近，微软等公司也在构建可扩展且实用的量子超级计算机方面取得了进展。英特尔公司开始向研究人员提供带有晶体管的硅量子芯片，这些晶体管被称为量子比特（qubit），其尺寸比其他类型的量子比特小多达100万倍。
谷歌和IBM，以及初创公司Universal Quantum和PsiQuantum ，都声称将在2030年之前交付一台有用的量子超级计算机。同时，中国正在建设一个耗资100亿美元的国家量子信息科学实验室，以推动该领域的发展。
量子计算机是如何工作的？
与传统计算机一样，量子计算机也使用微小的电路进行计算。但它们的计算是并行进行的，而不是顺序进行，这正是它们如此快速的原因。传统计算机以称为位（bit）的单位处理信息，位可以表示两种可能状态之一——0或1，这对应于计算机芯片中的逻辑门是打开还是关闭。在传统计算机继续处理下一条信息之前，它必须为前一条信息分配一个值。
相比之下，由于量子力学的“概率性”特性，量子计算机中的量子比特在计算机完成整个计算之前不需要被分配值。这被称为“叠加态”。因此，当传统计算机中的三个位只能表示八种可能性中的一种时（即000、001、010、011、100、101、110和111），具有三个量子比特的量子计算机可以同时处理所有这些可能性。理论上，具有4个量子比特的量子计算机可以处理的信息量是同等规模的传统计算机的16倍，并且每增加一个量子比特，其处理能力就会翻倍。这就是为什么量子计算机能够处理比传统计算机多得多的信息。
它是如何返回结果的？
在设计标准计算机时，工程师会花费大量时间来确保每个位的状态与其他所有位的状态相互独立。但量子比特是纠缠的，这意味着一个量子比特的性质依赖于其周围量子比特的性质。这是一个优势，因为量子比特在共同寻找解决方案时可以更快地传递信息。当量子算法运行时，来自量子比特的相互矛盾（因此也是错误的）结果会相互抵消，而相容（因此可能是正确的）结果则会被放大。这种现象称为相干性，它使计算机能够输出其认为最可能正确的答案。
如何制造量子比特？
理论上，任何可以控制的、表现出量子力学性质的物体都可以用来制造量子比特。许多量子比特是由半导体制成的，IBM、D-Wave和谷歌使用的是微小的超导电线环。一些科学家通过操纵被困离子、光子脉冲或电子自旋来创建量子比特。这些方法中的许多都需要非常特殊的条件，比如比深空还要低的温度。
需要多少量子比特？
很多！虽然量子比特可以处理比传统位多得多的信息，但它们固有的不确定性使它们容易出错。当量子比特之间失去相干性时，错误就会悄悄进入它们的计算中。理论家们正在研究能够纠正这些错误的算法。但不可避免的是，修正这些错误需要增加更多的量子比特。
科学家们估计，要可靠地运行适合商业用途的程序，计算机需要数百万甚至数十亿个量子比特。2023年10月，加州初创公司Atom Computing实现了1180个量子比特的连接，这是目前的纪录，超过了IBM在2022年11月创下的433个量子比特的先前纪录的两倍多。将足够多的量子比特组合在一起是主要的挑战。随着计算机尺寸的增大，它会散发出更多的热量，这增加了量子比特失去相干性的可能性。谷歌的 Willow 芯片被视为一项突破，因为即使将更多的量子比特组合在一起，错误率也下降了。
我什么时候能得到我的量子计算机？
这取决于你想用它来做什么。学者们已经通过基于云的IBM Quantum Platform在100个量子比特的机器上解决问题，公众也可以尝试（如果你知道如何开发量子代码）。科学家们的目标是在未来十年内交付一台适合商业应用的所谓“通用”量子计算机。
量子计算机强大的问题解决能力带来的一个潜在缺点是，它们可能轻易地破解传统加密系统。也许最能说明我们离量子计算广泛应用还有多近的是，政府正在签署指令，企业正在投入数百万美元来保护传统计算系统免受量子机器的破解。
来源：EETOP编译自bnnbloomberg
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