量子計算入門指南：它是如何工作的？現在怎樣了？

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谷歌宣稱已經實現“量子霸權”，IBM微軟也在開發量子計算機，可以說量子計算已經成為當下炙手可熱的前沿技術！到底什么是量子計算，介紹與說明很多，今天這篇文章只有2000字，但它簡要介紹了量子計算機，想科普一下的同學可以讀讀。本文編譯自medium原題為“Quantum Computing:An Introduction for Programmers”的文章。

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解決復雜問題時，量子計算機并不比人強多少。量子計算機將復雜任務分解成許多簡單任務，與人類相比，計算機處理簡單任務時快很多，這就是計算機的優勢所在。但經典計算機存在限制：任務必須按順序出現。正因如此，如果任務太復雜，或者數據庫太大，想找到解決方案就會耗費很長時間。許多時候問題太龐大，從數學層面看，即使是最強大的超級電腦也沒有辦法突破序列任務設定的障礙，但量子計算機可以，因為它有一些有趣的特征：疊加、糾纏和干涉。

如何工作的

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為了解釋這種現象，我們回退一步。當計算機將復雜任務分解成簡單小任務時，最簡單的任務是什么？就是在兩個選項之間選擇，比如在A或者B、真或者假、頭或者尾之間選擇，這些都是二元問題。在計算機中，二進制代碼（用1或者0代表）可以轉化為計算機電路開關中的“開或者關”。雖然二進制解決方案（信息比特）能以驚人的速度交流信息，但讀取時必須一個接一個讀取。量子計算機的效率高很多。與比特等價的是量子比特，從本質上講它相當于一個可以承載可測量信息的粒子。

比特必須以一種二元狀態或者另一種狀態存在，但量子比特可以以量子態（疊加）存在，它可以在同一時間以兩種狀態存在。量子力學從很大程度上說就是概率游戲，量子比特變成狀態A或者B的概率可能是50/50，也可能是70/30、10/90或者其它比例。你可以這樣想像：量子比特的位置位于AB之間，或者位于球面的某個位置，球的一端是A狀態，另一端是B狀態。不論怎樣，因為量子有疊加特點，所以它可以同時在多個位置出現。為了找到問題的解決方案，量子比特一次可以沿多條路徑前進，但比特一次只能選一條。

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迪杰斯特拉算法(Dijkstra)可以幫我們找到抵達目的地效率最高的路徑，量子比特沒有必要一條一條路探索（經典計算機正是這樣做的），它可以同時分析多條路徑，以更快的速度找到最棒的路徑。當問題越復雜，輸入信息越龐大，經典計算機尋找路徑的時間就會越長。量子計算不一樣，它的效率高很多。

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想挖掘量子疊加的優勢，時間很關鍵，因為量子比特與測量設備接觸時疊加特性會受到影響。我們管這種物理法則叫作“觀測者效應”。粒子雖然會同時表現出粒子和波的特點，但是當我們觀測時只能記錄其中一種。到底記錄到其中的哪一種取決于觀測。所以說，當我們想探知量子比特攜帶怎樣的信息時，就會面臨這樣的障礙。

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我們可以利用量子力學的第二個特點來克服 “觀測者效應”，這個特點就是“糾纏”（entanglement）。物理家已經證實“糾纏”的存在，也就是兩個粒子不管相隔多遠，都能聯系在一起。現在我們可以操縱幾十個量子比特，讓它們變成單一的糾纏狀態，這樣我們就能建立一個網絡，它有2的n次方種可能性（n就是網絡中量子比特的數量），它們可以協同工作。

如果量子比特攜帶相同的信息，如何處理？那就要談談量子干涉了，粒子具有波的特點，干涉是波的特征之一。當波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇，彼此互補，效果就會放大，這就是相長干涉。如果波峰與波谷相遇，就會抵消，這就是相消干涉。當超過一個量子比特處于相長干涉狀態，它們的效果就會放大，這樣就可以傳輸信息了。

現在已經走到了哪一步

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要想讓量子網絡真正發揮潛能，還有一些障礙要跨越。雖然與經典計算機相比量子計算機解決問題的速度更快（也就是所謂的量子優勢），但是即使是當今最大、最穩定的量子系統，在商業上還是沒有實用價值。

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實際上，往糾纏系統中添加量子比特是一件非常難的事，因為網絡非常脆弱。1998年，IBM、牛津、加州伯克利大學、斯坦福、MIT成功將一對量子比特組合。20年后，谷歌刷新紀錄，將量子比特數量增加到72個。

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雖然糾纏能從一定程度上解決“觀察者效應”這一問題，但是量子狀態還是容易被破壞，而且量子特征的持續時間也很有限。量子系統必須在退出疊加狀態、進入退相干狀態之前找到解決方案，否則就會失敗。

外部因素也會導致量子比特退出疊加狀態，雖然我們可以增加量子比特的數量，但是量子比特越多，越容易受到外部因素的影響。現在行業一般會用激光器、磁場、超導體創建一個環境，延長量子狀態的壽命（壽命一般用毫秒來計算），這樣能降低“出錯率”。

當出錯率下降，觀測系統也許能取得突破，我們可以根據觀測開發更棒的量子算法。一些行業玩家已經允許客戶通過云進入量子計算網絡，這樣就能讓研發變得更容易。

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一旦我們可以建立足夠龐大、足夠穩定的量子比特網各，一旦出錯率降得足夠低，量子計算機解決經典問題時速度會更快，不只如此，它還可以解決經典計算機解決不了的問題。

到了這一階段就能實現“量子霸權”。也有人認為“量子霸權”不可能實現，因為受到了物理原則和理論的限制，量子計算不可能走到這一步。

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有何可能性？

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一旦“量子霸權”真正實現，量子計算可以在許多科研領域派上用場，用來解決復雜問題。在復雜而龐大的數據庫上查詢時，它的處理速度更快；到時機器學習將會突飛猛進；我們可以模擬更加復雜的分子結構，了解它們的行為，這樣就可以在醫學領域取得更多突破。

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有了強大的模擬能力，對工業和科技產業也是好事。不過量子計算機無法取代經典計算機，它要與現代機器結合起來用。有了量子計算機，一些領域將會迎來變革。

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當AI、機器學習與量子計算結合，也許會有很大的突破。網絡安全行業也會擁抱量子技術，因為即使是今天最棒的經典加密技術，在量子系統面前也不堪一擊。

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神譯局  譯者：小兵手