“出新推出“産業洞察”欄目，聚焦各新興技術領域，解析各行業發展最前沿的問題。本周推出量子計算系列，本篇盤點量子計算的基本含義及原理。歡迎大家持續關注！

作者：Jason Roell |

編譯：唐詩 |

在一個由硬性規則主導的世界裡，量子計算正在颠覆信息技術行業。這是一項新興技術，提供了以多種方式改善我們生活的潛力。它使我們能夠在幾天或幾周内執行與當今計算機需要數月或數年的相同任務。

量子計算機背後的想法是量子物理學的奇幻世界。量子力學是物理學的一個領域，它描述了經典物理學無法準确預測的物體。量子計算背後的核心是控制和使用量子比特的能力——量子比特是最小的信息單位。這些單元可以同時以多種狀态存在，當它們糾纏在一起時，它們可以立即共享信息。量子計算本質上是使用量子屬性來計算和處理數字，這是傳統計算機無法實現的。

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量子計算的曆史

量子計算的曆史是非常有趣的，因為它最初是一個理論概念。量子計算機背後的基本思想是它們不遵循正常的因果關系規則。根據量子力學定律，粒子既有波的性質，也有粒子的性質。

粒子在亞原子水平上就像波一樣，這意味着量子信息以概率編碼，粒子的狀态由概率波表示。波函數可以代表給定時刻的多個可能結果。由于這些概率在不斷變化，量子物體的行為可以随着時間的推移而改變，或者至少看起來會發生變化。

量子計算于 1925 年引入，并于 1927 年建造了第一台量子計算機。許多研究人員一直在嘗試構建更好的量子計算機。然而，第一台量子計算機花了幾十年的時間才被制造出來。

雖然量子計算的概念已經存在了近半個世紀，但直到 1990 年代，該技術才達到可以變得實用的水平。1994年取得了突破，當時來自IBM，貝爾實驗室和新墨西哥大學的一組研究人員使用超導磁通量子比特開發了五量子比特量子計算機。

量子比特是通過将一種特殊的約瑟夫森結構建成超導體來制造的。研究小組展示了第一種量子算法，它的性能比經典計算機更好，證明了該技術是可行的。

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進入量子計算機

傳統計算機是嚴格的數字化計算機，完全依賴于經典的計算原理和屬性。另一方面，量子計算機是嚴格的量子比特計算機。因此，它們依賴于量子原理和性質——最重要的是疊加和糾纏。這使得它們能解決看似無法克服的問題，近乎奇迹般的能力與以往大不相同。

重合

為了理解疊加的概念，讓我們考慮最簡單的系統：雙态系統。普通的經典雙态系統就像一個開關，它始終處于一種狀态（開）或另一種狀态（關）。然而，雙态量子系統完全是另一回事。

每當測量它的狀态時，會發現它确實要麼打開要麼關閉，就像一個經典系統一樣。但是在測量之間，量子系統可以同時處于開啟和關閉狀态的疊加狀态，無論這在我們看來多麼違反直覺，甚至是超自然的。

重合 來源：IBM 研究院

一般來說，物理學家認為，在測量之前談論量子系統的狀态（例如其自旋）是沒有意義的。有些人甚至認為，測量量子系統的行為本身就會導緻它從不确定的模糊狀态崩潰到你測量的值（開或關，向上或向下）。

也許無法想象，但卻也無法逃避這樣一個事實，即這種神秘現象不僅是真實的，而且産生了解決問題能力的新維度，為量子計算機鋪平了道路。

疊加的概念甚至可能超出了本文的範圍，但請相信它已被證明是正确的。如果你想了解是什麼導緻了疊加，那麼你首先需要了解波/粒子二象性的概念。

糾纏

好的，進入量子力學的下一個屬性，我們需要利用它來創建量子計算機。

衆所周知，一旦兩個量子系統相互作用，它們就會成為無可救藥的糾纏伴侶。從那時起，一個系統的狀态将為您提供有關另一個系統狀态的精确信息，無論兩者相距多遠。

說真的，這兩個系統可以相距數光年，但仍然可以為您提供有關彼此的精确和即時信息。讓我們用一個具體的例子來說明這一點，因為這甚至讓愛因斯坦對這怎麼可能感到困惑。（愛因斯坦将這種現象稱為“遠距離的幽靈動作”）

量子糾纏 來源：IBM 研究院

假設有兩個電子，A和B。一旦讓它們以正确的方式進行交互，它們的旋轉就會自動糾纏在一起。從那時起，如果A的自旋是向上的，B的自旋将是向下的，就像兩個孩子在跷跷闆上一樣，即使把A和B帶到地球的兩端（或銀河系，就此而言），也是如此。

盡管它們之間相隔數千英裡（或光年），但事實證明，如果測量A的自旋向上，會立即知道B的自旋是向下的。

我們已經了解到，這些系統沒有自旋等狀态的精确值，而是在測量之前存在于模糊的疊加态中。這就是使用計算機進行計算所需要的。量子計算機以完全不同的方式進行計算，它使用疊加和糾纏的概念來完成計算。

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量子比特

量子比特在量子計算中扮演的角色與比特在經典計算中的角色相同：它是信息的基本單位。

盡管比特和量子比特都會生成兩種狀态（0 或 1）之一作為計算結果，但量子比特在該結果之前可以同時處于 0 和 1 狀态。

就像傳統計算機是用開或關的晶體管一點一點地構建一樣，量子計算機是用自旋态的電子逐個量子比特構建的，電子要麼向上，要麼向下。正如處于開/關狀态的晶體管串在一起形成在數字計算機中執行經典計算的邏輯門一樣，處于上/下自旋态的電子被串在一起形成在量子計算機中執行量子計算的量子門。

由于信息的存儲是基于量子物理學，而不是經典計算，科學家們表示，該技術可以比傳統計算機更快地執行某些計算，甚至可以比現有計算機更快地解決諸如分解大量數字和破解密碼等問題。

量子算法 來源：IBM 研究院

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結論

量子計算革命正在發生。我們剛剛進入一個新的計算時代。下一代計算不是下一代硬件，而是下一代算法和計算方法。

量子計算機使用量子力學原理來解決問題。與經典計算機相比，量子系統的狀态本質上是概率性的。這意味着量子計算機可以處理比傳統計算機成倍多的計算。

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延伸閱讀

量子計算将是未來一個技術制高點，所以目前包括中國在内的很多國家都非常重視對量子計算的研發投入，在量子計算方面，目前中國已經走在了世界前列，比如九章計算機就是一個很典型的例子。

2020年12月，由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的科研團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功研發出了九章量子計算機。

九章量子計算機采用76個光子輸出，從而打破了之前谷歌量子計算機玄鈴木保持的53光量子的記錄，其運行速度更是提升了100億倍。

2021年5月8日，中國科學技術大學的潘建偉團隊宣布研制出了新的量子計算機“祖沖之号”，這是繼5個月前出現的“九章”量子計算機之後，中國再一次研發出的新型量子計算機。

在科學最前沿的量子計算機領域，中國已經走在了最前列。

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