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量子计算：定义、使用方法和示例

article 2025/1/5 9:16:56

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什么是量子计算？

量子计算是计算机科学的一个领域，它运用量子理论的原理。量子理论阐释了原子及亚原子层面上能量和物质的行为表现。

量子计算会用到诸如电子或光子之类的亚原子粒子。量子比特使得这些粒子能够同时处于多种状态（即 1 和 0）。

从理论上来说，相互关联的量子比特能够 “利用它们类似波的量子态之间的干涉来进行计算，要是用其他方式进行这些计算，可能需要花费数百万年时间”。

如今的传统计算机以二进制的方式利用电脉冲流（1 和 0），通过比特来对信息进行编码。相较于量子计算，这限制了传统计算机的处理能力。

理解量子计算

量子计算领域兴起于 20 世纪 80 年代。当时人们发现，某些计算问题使用量子算法比使用传统算法能够更高效地解决。

量子计算有能力筛选大量的可能性，并提取出复杂问题与挑战的潜在解决方案。传统计算机以 0 或 1 的比特形式存储信息，而量子计算机使用量子比特。量子比特以一种量子态携带信息，这种量子态以多维方式关联 0 和 1。

如此巨大的计算潜力以及其预期的应用市场规模吸引了一些最知名企业的关注。这些企业包括 IBM、微软、谷歌、D-Waves 系统公司、阿里巴巴、诺基亚、英特尔、空客、惠普、东芝、三菱、SK 电讯、NEC、雷神公司、洛克希德・马丁公司、里格蒂计算公司、百健公司、大众汽车和安进公司。

量子计算的用途与优势

量子计算能够在安全、金融、军事与情报、药物设计与研发、航空航天设计、公用事业（核聚变）、聚合物设计、机器学习、人工智能（AI）、大数据搜索以及数字制造等领域发挥巨大作用。

量子计算机可用于改善信息的安全共享。或者用于改进雷达及其探测导弹和飞机的能力。量子计算有望发挥作用的另一个领域是环境方面，可借助化学传感器保持水质清洁。

以下是量子计算的一些潜在优势：

金融机构或许能够利用量子计算为零售和机构客户设计更有效、更高效的投资组合。它们可以专注于打造更好的交易模拟器并改进欺诈检测。
医疗保健行业可以利用量子计算研发新药物以及开展基因靶向医疗服务。它还能够助力更先进的 DNA 研究。
为了加强网络安全，量子计算能够帮助设计更好的数据加密方法以及利用光信号检测系统入侵者的方式。
量子计算可用于设计更高效、更安全的飞机以及交通规划系统。

量子计算的特性

叠加和纠缠是量子物理学的两个特性，量子计算正是基于它们而发展起来的。它们使量子计算机能够以比传统计算机指数级更快的速度处理运算，并且能耗要低得多。

叠加。按照IBM的说法，令人瞩目的是量子比特所能做的事，而非它本身是什么。一个量子比特会将其所包含的量子信息置于叠加态。这指的是该量子比特所有可能配置的一种组合。“处于叠加态的量子比特组能够创建复杂的、多维的计算空间。复杂问题可以在这些空间中以新的方式呈现出来。”
纠缠。纠缠对于量子计算能力来说是不可或缺的。成对的量子比特能够被制造成相互纠缠的状态。这意味着这两个量子比特会处于单一状态。在这种状态下，改变其中一个量子比特会以一种可预测的方式直接影响另一个量子比特。

量子算法旨在利用这种关系来解决复杂问题。在传统计算机中，将比特数量翻倍会使其处理能力翻倍，而在量子计算机中增加量子比特则会使计算能力呈指数级增长。

退相干。当量子比特的量子行为衰减时就会发生退相干现象。量子态可能会瞬间受到振动或温度变化的干扰。这可能会导致量子比特脱离叠加态，并使计算出现错误。重要的是要通过诸如超低温冰箱、隔热材料以及真空腔室等方式来保护量子比特免受此类干扰。

量子计算的局限性

量子计算在许多行业的发展和解决问题方面有着巨大潜力。然而，就目前而言，它也存在一些局限性。

退相干（或衰减）可能会由量子比特环境中最微小的干扰引起，这会导致计算机崩溃或出现错误。正如上文所述，在计算阶段，量子计算机必须免受所有外部干扰。

计算阶段的纠错机制尚未完善，这使得计算结果可能不可靠。由于量子比特并非数字数据比特，它们无法受益于传统计算机所使用的常规纠错解决方案。

获取计算结果可能会破坏数据。诸如某种特定的数据库搜索算法（能确保测量行为会使量子态退相干为正确答案）这样的进展是有希望的。

安全和量子密码学尚未完全发展成熟。

量子比特数量的不足限制了量子计算机充分发挥其影响力巨大的应用潜力。

据全球能源领军企业Iberdola称，“量子计算机必须处于几乎无大气压力、环境温度接近绝对零度（零下 273 摄氏度）且与地球磁场隔绝的条件下，以防止原子移动、相互碰撞或与外界环境相互作用。”

“此外，这些系统只能运行非常短的时间间隔，以至于信息会遭到破坏且无法存储，这使得数据的恢复变得更加困难。”

量子计算机与传统计算机对比

量子计算机的结构比传统计算机更为基础，它们没有内存或处理器，量子计算机所使用的就是一组超导量子比特。

量子计算机和传统计算机处理信息的方式不同。量子计算机使用量子比特来运行多维量子算法，随着量子比特数量的增加，其处理能力呈指数级增长。传统处理器则使用比特来运行各种程序，随着比特数量的增加，其处理能力呈线性增长，传统计算机的计算能力要低得多。

传统计算机最适合日常任务，且出错率较低。量子计算机则非常适合更高级别的任务，例如运行模拟、分析数据（比如化学或药物试验的数据）、研发节能电池等，但它们也可能有较高的出错率。

传统计算机不需要特别的护理，它们可能只需一个基本的内部风扇来防止过热。而量子处理器需要免受最微小振动的影响，并且必须保持极低的温度，为此必须使用超低温超流体。

量子计算机的构建成本比传统计算机更高，难度也更大。

最简单地解释量子计算是什么？

量子计算与量子计算机进行的计算有关。与传统计算机进行的传统计算相比，量子计算机应该能够存储多得多的信息，并且能通过更高效的算法进行运算。这意味着能够更快地解决极其复杂的任务。

制造量子计算机有多难？

制造量子计算机耗时漫长且成本极高。谷歌多年来一直在致力于制造量子计算机，并且已经花费了数十亿美元。该公司预计到 2029 年能制造出量子计算机。2022 年 11 月，谷歌宣布推出一个 433 量子比特的系统，一年后，IBM 宣布了其 “Condor”—— 一个拥有 1121 个超导量子比特的量子处理器。当时，IBM 还发布了其 2033 年路线图，称其目标是在 2033 年推出 “Blue Jay” 系统，该系统能够在 2000 个量子比特上执行十亿次门运算。

量子计算机要花多少钱？

制造一台量子计算机需要花费数十亿美元。然而，2020 年，位于我国深圳的本源量子（Shenzhen SpinQ Technology）计划向学校和学院消费者出售一款售价 5000 美元的桌面量子计算机。而在这之前一年，该公司就已经开始销售一款售价 50000 美元的量子计算机。

量子计算机有多快？

量子计算机比传统计算机或超级计算机快许多倍。据说谷歌正在研发的 “Sycamore” 量子计算机在 200 秒内完成了一项计算，而世界上最快的计算机之一 ——IBM 的 “Summit” 计算机完成同样的计算则需要 10000 年。不过，IBM 对谷歌的这一说法提出了质疑，称其超级计算机可以在 2.5 天内完成该计算。即便如此，这也比谷歌的量子计算机慢了 1000 倍。