量子计算基础简介

2020-11-17 08:00:00 · 飞浪

介绍微软、谷歌、IBM和亚马逊等公司正在大力投资量子计算研究，甚至开始构建提供量子硬件访问的公共云服务。鉴于所有的炒作，您可能想知道它到底是什么，以及您是否应该关注它。本指南将介绍量

介绍

微软、谷歌、IBM 和亚马逊等公司正在大力投资量子计算研究，甚至开始构建提供量子硬件访问的公共云服务。鉴于所有的炒作，您可能想知道它到底是什么，以及您是否应该关注它。

本指南将介绍量子计算的基本前提，以及它的起源和发展方向。如果您决定进一步探索量子计算，本指南还将为您指明下一步的方向。

历史

量子计算机的概念在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初开始成形。物理学家理查德·费曼经常被认为是早期的概念提出者之一，尽管当时也有其他人谈论类似的想法。此时，研究人员开始意识到，如果你想准确地模拟自然界的复杂结构，尤其是像分子这样非常小而复杂的东西，你最好使用量子模拟来实现这一点。这是因为自然界本身并不是从根本上说是经典的——它建立在量子力学之上，而量子力学的行为方式则截然不同。

很快，科学家开始识别理论上可以在量子计算机上比传统计算机运行得更快的算法，并找到了几个候选算法。然后，在 20 世纪 90 年代中后期，研究人员开始在量子计算的另一端取得突破：物理硬件。如今，该领域的专家正试图将这两个方面结合起来，打造出能够比传统计算机更快地解决某些问题的量子计算机。

现在您已经了解了一些背景知识，让我们来看看量子力学的一些基础概念。

叠加

叠加是量子力学的核心特征之一。在经典计算中，比特存在于离散状态 0 或 1，这些状态被认为是确定性的，因为它们不受概率或随机性的影响。然而，量子比特可以同时存在于两种状态的组合中。这类似于你同时在乐器上演奏高音和低音。发出的声音既不是一个音符也不是另一个音符，而是两个音符的叠加。

但有一个问题——在量子系统中，你无法直接观察叠加态。如果你试图观察或测量叠加态，此时仍被认为是不确定的，它将坍缩为确定态。

考虑一下音符的类比，假设量子力学适用于发出的声音。在这种情况下，就好像当你试图聆听声音时，你只听到一个音符在演奏，即使你确定乐器演奏了两个音符。

之所以会发生这种情况，是因为叠加态极其微妙。你在环境中的存在足以破坏这种状态，因为环境中的空气粒子会四处移动，而且通常具有破坏性。这就像你的倾听行为迫使量子系统“选择”一个音符。

概率

您听到高音和低音的几率是多少？在某些情况下，即所谓的均匀叠加，几率是 50/50。但是，它也可以是任何基于您为系统所处的量子状态的概率加权分布，只要所有状态的概率加起来为 100%。

当量子位处于微妙的概率叠加状态时，可以用它们进行各种计算和处理，而这些计算和处理是无法用确定性状态完成的，这也是量子计算机如此强大的部分原因。

纠缠

量子力学的另一个基本原理是纠缠。要理解这一点，请考虑另一个类比，这个类比改编自理论宇宙学家 Janna Levin。想象这样一个场景：你正在和朋友玩叉骨游戏，但量子力学和纠缠的规则正在发挥作用。你们各自拉动叉骨的一侧，将其拉断，但你没有看还剩下哪一块。

在量子世界中，一旦你和你的朋友折断了许愿骨，以下两种情况都是正确的：你拥有大块，而你的朋友拥有小块；你拥有小块，而你的朋友拥有大块。就好像许愿骨碎片本身还没有“决定”它们是大块还是小块。每个许愿骨碎片都处于叠加状态，它们的状态是不确定的。这不仅仅是你和你的朋友不知道你们拥有哪些碎片，还不止如此：碎片的状态还没有在现实中实现。

你仍然没有看手中的许愿骨，而是把它放进口袋，坐上飞船飞往月球。然后你走出飞船，看着许愿骨。你可以把看到自己拥有的是大块还是小块的那一刻看作测量的时刻，那一刻你的许愿骨的状态就确定了。

因为两块棋子是纠缠在一起的，所以只要你看到自己手中的棋子，地球上的朋友的棋子就会自动变成互补的棋子。这意味着，如果你看到自己手中有大棋子，他们的棋子就会立即失去叠加态，并“决定”成为小棋子，反之亦然。通过改变你的棋子的状态，你实际上也改变了朋友棋子的状态，而且这一切都是瞬间发生的，比光速还快。

如果你无法在不描述另一个量子比特状态的情况下描述一个量子比特的状态，那么量子比特就被认为是纠缠的——它们的状态是无法分离的。纠缠至少需要两个量子比特，但也可以有更多的量子比特。

未来的潜在用例

量子计算和力学的这些特性当然很有趣，但它们有什么用呢？

尽管专家们对于高度实用的量子计算机的时间表存在很大分歧，但量子计算领域的参与者都在竞相争取量子优势。这是因为它可能具有深远的应用前景。让我们考虑一下其中的一些。

氮固定

土壤中氨的合成是通过一种称为氮固定的过程进行的。我们严重依赖氨作为肥料，但目前人工大量生产氨的方法效率很低，需要高温高压。这一过程消耗了全球总能源产量的约 2%。

固氮酶是土壤中的一种酶，它使固氮自然发生，而且它不需要相同的热量和压力。如果量子计算机能够在分子尺度上模拟这一过程，我们最终可能能够将类似的机制引入我们自己的生产线。这不仅意味着生产肥料所消耗的能量更少，而且由于肥料用于食品生产，这也有助于大幅降低全球食品成本。

理论化学与材料设计

聚合物用于许多常见材料，例如某些塑料，由以特定模式结合在一起的分子组成。模拟聚合物成分如何断裂和结合可以发现新型理论材料。由于进行这些模拟需要大量计算能力，因此当前的经典计算机无法有效地进行模拟。但是，由于聚合物中的电子实际上是量子对象，因此为了有效地模拟它们，我们可能能够使用本身就是量子系统的量子计算机。