量子计算是什么？量子计算机能做什么，我能买到吗？- 彭博社

D-Wave Systems Advantage 量子计算机。

摄影师：Lukas Schulze/Getty Images

四十年前，计算机工程师们正在理论上探讨，量子物理学的令人费解的机制可以被利用来制造一种比传统机器指数倍更强大的新型计算机。一系列突破已经使“量子效用”触手可及，工程师们展示了能够进行复杂计算的计算机，这种计算对于最强大的超级计算机来说是难以想象的。一场竞赛正在进行中，目标是开发更大的机器，能够准确模拟复杂的现实现象的行为，并在药物开发、金融建模和人工智能等领域取得飞跃。

1. 量子计算机的吸引力在哪里？

它们能做一些经典计算机做不到的事情。Google在四月份透露，其一台量子计算机在几秒钟内解决了一个问题，而这个问题对于全球最强大的超级计算机来说需要47年的时间。实验性的量子计算机通常被赋予传统计算机需要太长时间才能完成的任务，比如模拟复杂分子的相互作用以进行药物发现。它们最大的潜力在于模拟涉及大量移动部件的复杂系统的行为，这些部件在相互作用时会发生变化，比如预测金融市场的行为、优化供应链以及操作大型语言模型用于生成式人工智能。人们不指望它们在大多数今天计算机所完成的繁琐但更简单的工作上有太多用处，这些工作是在大规模上顺序处理有限数量的孤立输入。

2. 谁在建造它们？

加拿大公司 D-Wave Systems Inc. 于2011年成为第一家销售用于解决优化问题的量子计算机的公司。 国际商业机器公司、Alphabet 公司的 Google、亚马逊 Web Services 和众多初创公司都已经制造出可用的量子计算机。最近，微软公司等公司已经在建造可扩展和实用的量子超级计算机方面取得了进展。 英特尔公司 已经开始向研究人员交付了一种名为量子比特（qubits）的晶体管的硅量子芯片，其尺寸比其他类型的芯片小了多达100万倍。微软和包括初创公司 Universal Quantum 在内的其他公司预计将在未来十年内建造一台量子超级计算机。中国 正在建造 一座价值100亿美元的国家量子信息科学实验室，作为该领域的重大推动的一部分。

3. 量子计算机是如何工作的？

它们使用微小的电路进行计算，就像传统计算机一样。但是它们是并行进行这些计算，而不是顺序进行，这就是它们如此快速的原因。普通计算机以称为比特的单位处理信息，比特可以表示两种可能的状态——0或1——对应于计算机芯片的一个称为逻辑门的部分是打开还是关闭。在传统计算机转移到处理下一个信息之前，它必须为上一个信息分配一个值。相比之下，由于量子力学的概率性方面，量子计算机中的量子比特不必在计算机完成整个计算之前被分配一个值。这就是所谓的“叠加”。因此，虽然传统计算机中的三个比特只能表示八种可能性——000、001、010、011、100、101、110 和 111——但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大小的传统计算机的16倍，并且随着每增加一个量子比特，其处理能力将成倍增加。这就是为什么量子计算机可以处理的信息数量呈指数级增长，远远超过经典计算机。

为什么量子计算会更快

诸如破解加密或绘制分子结构等问题可能需要对数百万种可能性进行排序。

4. 它是如何返回结果的？

在设计标准计算机时，工程师们花费大量时间来确保每个比特的状态与其他所有比特的状态都是独立的。但量子比特是纠缠在一起的，这意味着一个量子比特的属性取决于其周围的量子比特的属性。这是一个优势，因为信息可以在量子比特之间更快地传输，它们共同努力以得出解决方案。当量子算法运行时，来自量子比特的矛盾（因此不正确）的结果互相抵消，而兼容（因此可能）的结果被放大。这种现象称为相干性，它允许计算机输出它认为最有可能是正确的答案。

5. 如何制造量子比特？

理论上，任何表现出可以被控制的量子机械特性的东西都可以用来制造量子比特。IBM、D-Wave和Google使用微小的超导线圈。其他人使用半导体，有些人则同时使用两者。一些科学家通过操纵被困离子、脉冲光子或电子的自旋来创建量子比特。这些方法中的许多都需要非常专门的条件，比如比深空中的温度还要低的温度。

6. 需要多少量子比特？

很多。尽管量子比特可以处理比经典比特指数级别更多的信息，但它们固有的不确定性使它们极易出现错误。当量子比特失去彼此之间的相干性时，错误就会产生。在实验室之外，科学家们只能让量子比特保持相干性的时间为秒的一小部分时间 — 在许多情况下，这段时间太短，无法运行整个算法。理论家正在努力开发一些能够纠正这些错误的算法。但修复的一个不可避免的部分是增加更多的量子比特。科学家们估计，一台计算机需要数百万甚至数十亿个量子比特才能可靠地运行适用于商业用途的程序。将它们足够连接在一起是主要挑战。随着计算机变得越来越大，它会释放更多热量，这使得量子比特更有可能失去相干性。目前量子比特连接的记录是由加利福尼亚初创公司Atom Computing在2023年10月取得的1,180个，比IBM在2022年11月创下的433个的记录多出一倍。

7. 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。学术界已经通过基于云的IBM量子平台在100量子比特的机器上解决问题，普通大众也可以尝试（如果你知道如何开发量子代码）。科学家们计划在未来十年内推出一种称为“通用”的适用于商业应用的量子计算机。量子计算机巨大的问题解决能力之一是它们有可能破解经典加密系统。也许最好的指示我们离量子计算有多近的迹象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，防止被量子计算机破解。

参考书架

• Bloomberg观点的Andy Mukherjee探讨了量子计算机是否可能威胁数字货币的安全。
• 2017年Bloomberg Markets对量子计算的概述。
• 麻省理工技术评论探讨了量子计算机的可能用途。
• 麦肯锡展示了不同的方法来设计量子比特。
• IBM的初学者指南量子计算机，以及公司研究人员如何使用这些机器的博客。