什么是量子计算？

量子计算是一种利用叠加态、纠缠等量子态集体特性进行运算的计算方式。

量子计算机一旦最终实现，并非适用于所有类型的计算问题，但它在大数分解、数据库搜索、量子物理过程模拟等特定任务上表现极为出色 —— 这些任务在经典计算机上的运行速度慢得不切实际。

尽管量子计算仍处于起步阶段，面临诸多技术挑战，但其发展有望通过解决此前难以攻克的问题，为多个行业带来革命性变革，可能在材料科学、密码学、药物研发以及物流和制造业的优化问题上实现突破。

如今，数百家企业、研究机构、数千名科学家以及数十家投资机构正致力于将实用且广泛适用的量子计算技术推向市场。关键在于，越来越多的人意识到：并非只有科学家或量子物理学家才能理解量子科学与技术。本文将为读者提供量子计算的基础知识，助力大家规划量子未来，甚至提供参与这一历史性技术变革的途径。

量子计算究竟是什么？

本质上，量子计算依赖于已被充分证实但仍略显神秘的量子力学原理。量子力学是物理学中的基础理论，描述原子和亚原子粒子在最小能量尺度下的自然行为。正如我们将要探讨的，量子力学的某些方面 —— 尤其是叠加态和纠缠 —— 为实现惊人的计算优势提供了可能。

量子信息科学研究人员正致力于挖掘这种计算潜力，以打造能解决现实世界问题的量子计算机。

首先，了解量子计算的基础知识至关重要。

量子计算的基础知识

要理解量子计算，必须先明确其与经典计算的核心区别，主要体现在量子比特、叠加态和纠缠这三个方面。

1. 量子比特（Qubit）解析。与经典计算机使用非 0 即 1 的二进制比特（bit）编码数据不同，量子计算机使用量子比特。正如我们即将解释的，量子比特可以处于叠加态，这意味着它可以是 0 态、1 态，或者同时处于 0 态和 1 态。
   量子比特通常通过表现出量子力学行为的系统来实现，例如电子的自旋或光子的偏振。通过精确操控这些特性，可创建并控制用于计算的量子比特。

量子比特能够呈现多种状态，而非经典比特的二进制 “开 / 关”“是 / 否” 非此即彼的状态，这赋予了它出色的计算特性。但遗憾的是，量子比特并非完美无缺。它们极其脆弱，容易受到环境干扰 —— 量子科学家通常将这种现象称为 “退相干”，这对他们而言是一大挑战。这种敏感性要求量子计算必须在极短的时间内完成，且通常需要在极低的温度下进行，以维持量子比特的量子态。因此，开发能够长时间保持稳定状态以执行有用计算的量子比特，是量子计算领域的核心挑战之一。

2. 叠加态与纠缠原理。量子计算的核心基于量子力学的两大原理：叠加态与纠缠。

如前所述，经典计算的比特非 1 即 0，就像电灯开关不是开就是关。而量子力学中的叠加态原理指出，量子系统可以同时存在于多种状态或配置中。类比往往难以充分诠释叠加态的细微差别，但可以想象一盏没有开关、而是用调光器调节明暗的灯；或者将其视为一枚高速旋转的硬币 —— 在有人让它停下并观察最终状态前，它同时处于正面和反面状态。

纠缠则进一步扩展了叠加态的能力。当量子比特发生纠缠时，无论它们在空间上相距多远，一个量子比特的状态都会依赖于另一个量子比特的状态。这使得量子系统的信息容量随量子比特数量呈指数级增长，因为它们可以同时执行多项计算。

量子计算如何工作？

我们先来回顾一下经典比特的相关知识：比特可通过数字逻辑门轻松操控。

但量子比特有所不同，必须通过量子电路中的量子门来操控。这些量子门会改变量子比特状态的概率，而不必测量其具体值，从而实现复杂的计算。

具体工作原理如下：

1. 量子门与量子电路。量子门是由于量子比特可处于叠加态，量子门通过运算来操控这些量子比特，这些运算通常用矩阵（由数字或符号组成的矩形阵列，常用于表示和处理数据）表示。运算包括状态旋转（改变量子比特处于 0 态或 1 态的概率）、纠缠（将两个量子比特的状态关联起来，使一个的状态依赖于另一个）以及叠加（创建量子比特同时处于 0 态和 1 态的组合状态）。

量子电路是一系列量子门的组合，用于执行特定的计算任务。从概念上讲，量子比特通过这些量子门的过程，类似于经典比特在传统电路中通过经典逻辑门的过程。但由于量子电路的量子特性，它们在处理某些问题（如大数分解或量子系统模拟）时，效率远高于经典电路。

量子电路的设计必须谨慎考虑相干性、纠缠等量子现象。此外，量子计算中的测量与经典计算存在本质区别：当测量量子比特时，其叠加态会坍缩到某个基态（0 或 1），从而影响计算结果。

2. 量子计算流程：从理论到应用。量子计算始于已被证实但仍颇具挑战性的理论基础。量子计算植根于量子力学 —— 这门研究原子和亚原子层面粒子行为的物理学分支，已有一个多世纪的历史。正如前文所讨论的，指导量子力学的关键理论原理（包括叠加态和纠缠），无疑是量子力学应用（包括量子计算等技术）的基础。

由此可见，量子计算从理论到应用的流程涉及多个复杂且相互关联的步骤 —— 从量子比特的物理实现，到量子门和量子电路的设计，再到纠错方案的创建以及量子算法的开发。

当然，其目标是打造可应用于密码学、药物研发、优化问题、金融建模等多个领域的量子计算机。

不过，量子计算目前仍处于相对早期的阶段。当前的研究重点包括制造更稳定的量子比特、增加量子比特数量、改进纠错技术以及开发新的算法和应用。

量子计算与经典计算的对比

既然经典计算机，甚至经典超级计算机的性能已十分出色，为何还要投入大量精力研发量子计算机呢？

先假设一些理论上的可能性：量子计算机在许多任务上的速度可能远超经典计算机，甚至超越当今的超级计算机。

我们现在来看看量子计算的潜在能力：

大多数科学家认为，强大的容错量子计算机将能够在许多（但并非所有）任务上超越经典计算方法。具体而言，量子设备在优化、模拟和各种密码学功能等计算任务上具有优势。

1. 速度与效率：量子优势。在这些任务中，借助叠加态和纠缠，量子计算机被视为具有革命性的计算工具，拥有前所未有的速度和效率。叠加态为量子计算机提供了并行计算的可能，从而提升速度；而纠缠则带来了经典计算机无法比拟的效率 —— 经典计算机必须独立处理每个比特。

2. 量子计算的局限性与挑战。既然量子计算具有如此高的速度和效率，为何至今尚未投入使用呢？这是因为量子计算存在诸多局限性和挑战。首先是设备本身的复杂性：与最先进的超级计算机相比，所有量子计算方案都需要高度灵敏的设备和精密的工程设计。但量子计算最主要的局限性和挑战在于其容易受到环境噪声的影响。由于量子比特对热量、电磁力（甚至宇宙射线）等干扰极为敏感，容易产生错误，从而影响量子计算机高效、快速计算的能力。因此，必须竭尽全力尽可能长时间地维持量子态，这也解释了为何量子设备需要复杂的工程设计。此外，科学家还必须设计纠错协议以最大限度地减少错误。尽管研究团队取得了快速进展，但由于经典计算机的稳定性更强，在解决大多数问题（以及所有实际问题）上仍具有优势。

量子计算的应用领域

尽管实现实用化量子计算面临诸多挑战，但科学家团队在容错量子计算的研发上不断取得进展。若最终成功，量子计算将有以下几类初期应用。我们接下来看看一些最有可能的量子计算应用场景：

1. 密码学与网络安全增强。量子计算对密码学和网络安全具有深远影响。RSA 等传统加密方法依赖于大数分解的难度，而量子计算机在这项任务上的速度可能呈指数级提升。这种能力对当前的加密标准构成了威胁，因此亟需开发抗量子密码学技术。反之，量子计算也引入了先进的加密技术，如量子密钥分发（QKD），理论上可实现不可破解的加密。QKD 利用纠缠、叠加等量子特性检测任何拦截尝试，从而确保数据传输的绝对安全。此外，量子计算机还能更高效地分析海量数据集，识别模式和潜在威胁，远超经典计算机的能力，显著提升实时威胁检测和响应能力，使网络安全系统更加强大和灵活。

2. 药物研发与材料科学的突破。在药物研发和材料科学领域，量子计算能够以前所未有的细节模拟分子和化学相互作用。由于变量呈指数级增长，经典计算机难以模拟复杂分子，而量子计算机则能相对轻松地处理这种复杂性。这种能力可实现对分子结构和行为的精确建模，加快药物研发进程，提高效率。例如，量子计算机能快速分析和预测不同药物化合物与特定生物靶点的相互作用，从而加快有潜力药物候选物的识别，减少对试错法的依赖。在材料科学领域，量子模拟可助力发现具有所需特性（如更高的强度重量比或更好的导电性）的新材料，为航空航天、电子、可再生能源等行业带来革命性变革，推动更高效、可持续且经济的材料研发。

3. 复杂系统优化。在金融和物流领域，量子计算为复杂系统的优化提供了显著助力。在金融行业，量子算法可通过同时分析海量市场数据和模拟多种金融场景，优化投资组合，构建更可靠的风险评估模型和更完善的资产配置策略，在降低风险的同时实现收益最大化。量子计算还能加速期权定价模型等复杂金融计算，为高频交易提供竞争优势。在物流领域，量子计算机能更高效地解决复杂的路径规划问题，远超经典计算机的能力，包括确定最高效的运输路线、缩短配送时间和降低成本。对于全球航运、航空调度等大规模物流运营，量子计算的优化能力可大幅提升效率、节省成本并增强环境可持续性。

量子计算的当前发展状况

量子计算领域曾有一个玩笑：“量子计算还有 20 年才能实现 —— 而且永远还有 20 年。” 但现在这个玩笑已不再那么好笑，因为量子信息科学的稳步发展使该行业即将推出具有实际应用优势的设备。私人资本和政府投资为研究提供了更多支持，并为开发具有实际优势的量子设备的理论和实践基础提供了越来越多的激励。尽管无法可靠地确定时间表，但许多量子计算公司的路线图显示，量子优势有望在本十年末实现，一些更大胆的预测则认为将在 3 到 5 年内实现。

正如人们所预期的，量子科技领域的领导者也是以科技为核心的经济领域的领军者，即 IBM、谷歌、微软和亚马逊（尤其是其亚马逊网络服务 AWS 部门）。

此外，行业中还涌现出了多家专注于硬件、软件和全栈量子计算的公司，例如：

（1）Rigetti Computing：专注于集成量子计算系统，以制造量子芯片和开发全栈软件而闻名。
（2）IonQ：致力于铺货离子量子计算技术，以高保真度量子门和可扩展架构为特色。
（3）PsiQuantum：正在研发硅光子量子计算机，目标是打造拥有 100 万个量子比特的设备。
（4）D-Wave Systems：以量子退火技术闻名，主要专注于优化问题，同时也在开展可扩展门模型量子计算技术的研发和交付项目。
（5）Oxford Quantum Circuits (OQC)：2017 年从牛津大学分拆成立，是英国领先的量子计算公司之一。
（6）QC Ware：开发量子计算软件，旨在让经典计算机程序员也能轻松使用量子计算。
（7）Alice & Bob：致力于构建容错量子计算机，重点解决量子比特错误问题。
（8）Xanadu Quantum Technologies：专注于光子量子计算，以云量子计算平台和量子机器学习算法著称。
（9）QuTech：由代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究组织（TNO）合作成立，专注于量子计算和量子互联网技术。
（10）Quantinuum：由霍尼韦尔量子解决方案公司和剑桥量子公司合并而成，专注于开发可扩展、纠错的量子计算解决方案，并提供全套量子软件。

这些公司都在量子计算技术的发展中做出了重要贡献，侧重点各不相同，涵盖硬件、软件以及量子计算的特定应用。

过去几年，随着更多投资流入量子领域，越来越多的研究人员关注量子计算及其他量子技术面临的挑战，研究进展（通常被称为研究突破）和商业发展不断增多。

以下是一些可被视为历史性的量子计算发展与突破：

（1）量子计算进展：2019 年谷歌宣布实现 “量子霸权” 是量子计算领域的关键进展。“量子霸权” 指量子计算机完成了一项远超经典计算机甚至超级计算机能力的任务。在此次突破中，谷歌的 53 量子比特处理器 “Sycamore” 完成了一项随机量子电路采样任务，而这项任务若由经典超级计算机完成则需要 1 万年。

（2）继谷歌宣布量子霸权后，IBM 在量子计算领域也取得了重大进展。2021 年，IBM 推出了 127 量子比特的量子处理器 “Eagle”，标志着量子计算能力迈出了重要一步。该处理器旨在处理更复杂的计算，是迈向实用化量子计算的关键里程碑。近期，IBM 宣布将推出超过 1000 个量子比特的量子计算机，并详细介绍了在抗错误模型方面的进展。

（3）量子互联网进展：2021 年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家成功建立了一个多节点量子网络，为未来的量子互联网奠定了基础。该网络连接了三个量子处理器，展示了量子系统远距离通信的潜力，这一发展可能彻底改变数据安全和 带来便捷。

（4）量子纠错进展：QuEra Computing 宣布在纠错领域取得重大进展，相关成果发表于《自然》杂志。在哈佛大学与 QuEra Computing、麻省理工学院以及美国国家标准与技术研究院 / 马里兰大学合作开展的实验中，研究人员在一台拥有 48 个逻辑量子比特的纠错量子计算机上成功执行了大规模算法，并完成了数百次纠缠逻辑运算。

（5）拓扑量子计算机：拓扑量子计算机是一种颇具前景的容错方案，可避免量子计算中错误的不利影响。2023 年，Quantinuum 宣布在容错量子计算方面取得进展，这一成果得益于其 System Model H2 处理器的推出。

量子计算的未来

专家们常说：我们在构建实用化量子计算机的道路上尚未走到终点，甚至尚未走到终点的起点，但或许已接近起点的终点。尽管无法预测这项快速发展且变化不定的技术的准确演进时间表，但我们可以预见未来几年的一些里程碑事件。

尽管取得了诸多进展，量子计算仍面临障碍。纠错仍是量子科学家和工程师将量子计算推向实用化过程中面临的难题。短期内，研究人员将持续致力于攻克纠错技术。

随着纠错技术的成熟，容错能力 —— 即量子计算机通过设计防止和纠正因量子退相干及其他量子噪声导致的错误 —— 将越来越有可能实现。

若一切顺利，我们有望看到量子计算机逐渐成为研究机构和企业的计算选择之一。长期来看，量子 - 经典混合数据中心将解决科学和社会面临的重大挑战。这意味着量子计算机将在寻找新疗法和药物、设计新的投资组合优化策略、发现有助于应对气候变化的新材料等方面发挥作用，带来深远益处。

“能力越大，责任越大”—— 这句常被认为源自《蜘蛛侠》的箴言，同样适用于计算领域的 “超级英雄”：量子计算。伦理与社会考量是量子计算界关注的重点。

两个主要的（当然不是排他性的）道德和社会问题是对量子计算的力量掌握在太少的人手中的担忧，以及担心量子计算的黑客能力可能被不法分子利用。

针对前者，量子计算界人士希望确保采取措施实现量子技术的民主化。例如，本文旨在让尽可能多的人（而非仅掌握量子信息科学的专家和能编写量子算法的开发人员）理解量子计算并参与其中。尽管教育至关重要，但还需要开发工具让非科学家也能与量子计算机交互，并确保通过云服务等方式提供对这些设备的访问权限。

针对后者，量子计算机强大的运算能力既可用于发现新的药物疗法、优化投资组合，也可用于破解大多数保障数据和信息安全的加密方案。目前，科学家们正在研发抗量子密码技术，以保护数据，避免金融系统和社会信任网络可能崩溃的风险。

量子计算面临的关键挑战并非技术局限（如纠错、量子比特数量等），而是人才局限。目前，经过专业培训的量子人才数量远不足以支撑行业发展。尽管这是一个问题，但同时也蕴含着机遇：若量子计算行业发展壮大，企业和机构将需要大量训练有素的量子科学家、物理学家和工程师；此外，行业还需要销售人员、市场营销人员、公关专员、游说者和高管 —— 这些岗位都要求从业者了解量子计算的能力。

本文转载自 雪兽软件
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