我们离拥有实用的量子计算机越来越近了 – 以下是它们的用途

快速阅读: 《技术点》消息，自1981年理查德·费曼提出量子计算概念以来，该领域已发展40余年，但仍面临诸多挑战。量子计算机利用量子位同时处理大量数据，具备解决复杂问题的独特优势，但其不确定性及技术难题使其难以普及。尽管如此，多家公司正努力提升量子计算机的可靠性与易用性，预计未来十年将取得显著进展。

1981年，美国物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼在波士顿附近的麻省理工学院（MIT）做了一场讲座，在这次讲座中他概述了一个革命性的想法。费曼建议可以利用量子力学的奇异物理学来进行计算。量子计算领域由此诞生。自那以后的40多年里，它已成为计算机科学领域的一个研究热点。尽管经过多年疯狂的发展，物理学家们尚未建造出适用于日常使用和正常条件下的实用量子计算机（例如，许多量子计算机需要在极低温度下运行）。关于如何最好地达到这一里程碑的问题和不确定性仍然存在。解释：什么是量子计算？量子计算到底是什么？我们离看到它们广泛应用还有多远？首先让我们看看经典计算，也就是我们现在依赖的计算方式，比如我正在用笔记本电脑写这篇文章。什么是量子计算？

量子计算编辑注：客座作者多梅尼科·维奇纳扎是剑桥大学智能系统与数据科学的副教授。多梅尼科的专业领域包括音频和音乐技术、电气和电子工程，他在欧洲核子研究中心担任了七年的科研助理。本文由《对话》杂志根据知识共享许可重新发布。

经典计算机通过组合“比特”来处理信息，比特是它们最小的数据单位。这些比特的值要么为0，要么为1。你用电脑做的每件事，从写电子邮件到浏览网页，都是通过处理这些比特的组合实现的。

量子计算机使用量子比特，也叫作量子位（量子位）。与经典比特不同，量子位不仅仅表示0或1。由于一种称为量子叠加的特性，量子位可以同时处于多个状态。这使得量子计算机能够同时处理大量的数据和信息。这正是量子计算机能够同时处理大量数据和信息的能力所在。想象一下，能够一次性探索问题的所有可能解决方案，而不是一次一个地尝试。这将允许你在迷宫中同时尝试所有可能的路径以找到正确的出路。因此，量子计算机在找到最短路径或最快的方法方面非常快。

考虑一下航班延误或意外事件后重新安排航班时间这样极其复杂的问题。这种情况在现实世界中经常发生，但所应用的解决方案可能不是最佳或最优的。为了计算出最优响应，标准计算机需要逐一考虑所有可能的移动、重新路由、延迟、取消或分组航班的组合。每天有超过45,000架次航班，由超过500家航空公司组织，连接着4,000多个机场。这个问题对于经典计算机来说需要花费数年才能解决。另一方面，量子计算机能够同时尝试所有这些可能性，并让最佳配置自然显现。

量子位还具有一种称为纠缠的物理性质。当量子位纠缠在一起时，一个量子位的状态可以依赖于另一个量子位的状态，无论它们相隔多远。这是经典计算中没有的现象。纠缠使量子计算机能够以指数级的速度解决某些问题。

对立观点：谷歌认为商业量子计算应用将在五年内到来——与此同时，英伟达首席执行官黄仁勋最近表示，“非常有用”的量子计算机仍需20年才能实现。

一个常见问题是量子计算机是否会完全取代经典计算机。简短的回答是否定的，至少在未来可预见的时间内不会。量子计算机在解决特定问题上非常强大——例如模拟不同分子之间的相互作用，从众多选项中找到最佳解决方案，或处理加密和解密。然而，它们并不适合所有类型的任务。

IBM科学家高田真香博士在一个高科技实验室中操作量子计算机，处理维持量子位处于超低温所需的精密冷却系统的组件。经典计算机按线性顺序逐个进行计算，并遵循专为使用经典比特（要么为0，要么为1）设计的算法（用于执行特定计算任务的一系列数学规则）。这使得它们极其可预测、稳定且不易出错。对于日常计算需求，如文字处理或上网浏览，经典计算机将继续发挥主导作用。原因有两个。首先，从实际角度来看，建造一台能够可靠运行计算的量子计算机极其困难。量子世界极其不稳定，量子位容易受到环境干扰，如电磁辐射干扰，这使得它们容易出错。第二个原因是处理量子位固有的不确定性。因为量子位处于叠加态（既是0也是1），它们不像经典计算中使用的比特那样可预测。因此，物理学家描述量子位及其计算时使用概率。这意味着，使用相同的量子算法在相同的量子计算机上多次运行同一个问题可能会得到不同的结果。为了应对这种不确定性，通常会多次运行量子算法。然后对结果进行统计分析，以确定最有可能的解决方案。这使研究人员能够从本质上具有概率性的量子计算中提取出有意义的信息。

从商业角度看，量子计算的发展仍处于早期阶段，但这一领域非常多样化，每年都有许多新公司出现。令人兴奋的是，除了像IBM和谷歌这样的大公司外，还有新的公司加入，如IQM、帕斯卡尔（Pasqal）和初创企业爱丽丝和鲍勃（Alice and Bob）。他们都致力于使量子计算机更加可靠、可扩展和易于访问。

用于量子计算的光子芯片晶圆过去，制造商通过关注其量子计算机中的量子位数量来吸引人们的注意，以此衡量机器的强大程度。制造商越来越重视纠正量子计算机容易出现的错误的方法。这种转变对于开发大规模、容错的量子计算机至关重要，因为这些技术对于提高其可用性至关重要。谷歌最新的量子芯片Willow最近在这方面取得了显著进展。在Willow中使用的量子位越多，错误就越少。这一成就标志着向建造具有商业相关性的量子计算机迈出了重要一步，这些计算机可以在医学、能源和人工智能等领域带来革命性的变化。

经过40多年的发展，量子计算仍处于起步阶段，但在未来十年内预计将取得重大进展。这些机器的概率性质代表了量子计算与经典计算之间的一个根本区别。正是这一点使它们脆弱且难以开发和扩展。同时，这也使它们成为解决优化问题的强大工具，能够同时探索多种解决方案，比经典计算机更快更高效。

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