量子计算机离实用还有多远?

作者: 马雨玮

来源: 探臻科技评论

发布日期: 2021-05-10

本文探讨了量子计算机的现状、发展趋势及其在实际应用中的潜力与限制。文章指出,尽管量子计算在某些问题上具有超越经典计算的潜力,但其能力和应用范围仍有限制,且当前尚未形成产业规模或产生显著的经济和社会效益。文章还提醒读者识别和避免与量子科技相关的骗局,强调了理解量子科技实际应用的重要性。

在十九世纪初期,完美的经典物理学的大厦已经建成,人们甚至开始怀疑是否以后还需要物理学家。然而,还有“两朵乌云”无法解释,其中一朵就是黑体辐射的紫外灾难。为了解释这个现象,并结合上已有的对氢原子光谱等问题的研究,量子力学横空出世。百年之后,量子计算作为量子力学原理的一个应用,它的进展怎样,又将如何发展?

量子力学指出,在微观世界,能量是离散化的。

这感觉就是你不停的用显微镜放大斜面,最后发现所有的斜面都是由一小级一小级的阶梯组成。“量子”这个词也起源于这个概念。量子计算机是指应用量子力学的原理进行计算的计算机。作为对应,我们日常生活中常用的电脑被称为经典计算机。经典计算机使用数字信号0和1进行计算,一个0或1被称为一位或一个比特。

而量子计算机对应的使用量子比特|0>和|1>进行计算,它可以由原子中的两个电子能级或者超导电路中的两个震荡模式来定义。与经典比特的非0即1不同,量子比特可以处于量子叠加态a|0>+beiΦ|1>上。

利用了量子叠加这种量子力学所独有的特性,量子计算可以在某些问题上指数级的超越经典计算。然而,量子计算的能力范围也有限制。

上帝虽然赋予了量子力学“可叠加”的特性而使计算性能的指数级提升成为可能,那么它又赋予的“测量塌缩”的特性则是给量子计算增加了一重限制。因此,制备完量子态与测量之间还需要一个步骤,将想要的信息从量子态中提取出来。这个步骤可以通过量子门把原本的量子态转化成一个“容易测到想要性质”的状态,从而让输出结果大概率得到你想要的结果。

如今实现量子计算的主流物理平台有两类:基于超导约瑟夫森结的超导系统,以及基于原子能级的离子阱系统。超导系统的发展从1999年开始,而离子阱更早一些。到现在,超导系统中量子比特数最多的是谷歌的sycamore处理器,已经达到53个,而离子阱的行业龙头是IonQ公司,它声称已经有超过一百量子比特的系统。从已经发表的论文来看,量子计算领域目前的最前沿是谷歌发表的展示“量子霸权”的论文。

这篇论文基于随机采样问题:随机选取量子门操作中的参数,比如对量子比特旋转的角度等,然后预测最终的测量结果。

量子计算的发展应该循序渐进,一边增加量子计算机的比特数和量子门保真度,一边寻找量子计算更多可能的应用,由错误率较高的中型量子芯片逐步过渡到使用量子纠错的大型通用量子芯片。也许量子计算会在数年后逐渐在这个世界上发挥它的价值。

量子计算、量子通信和量子精密测量都是由量子力学的原理启发,被认为可能应用于实用的新科技。量子计算如同刚才所说,利用了量子的叠加性原理可以加速部分问题的计算速度。量子通信利用的是量子态的不可克隆原理,从而能够从原理上实现通信的绝对保密。量子精密测量是利用了量子态对周围环境的敏感性,来对微小信号进行测量的技术。

识别量子骗局对你来说应该并不难。像“量子”+“日用品”的组合是经典骗局。

这就和十几年前“纳米”一词流行起来一样,虽然是有应用纳米技术的材料,但也不会有人用纳米技术来生产衣服和被子。识破量子骗局的关键在于认清量子科技所带来的优势。

通常来说,量子科技所带来的优势往往具有局限性,比如量子计算只能加速部分问题的计算,而量子保密通信也只能保证信息传输过程中,信息被编码为量子信息的时候绝对安全,但如果人想要接收某些信息,总是要将量子信息解码为经典信息,那么之后的过程就无法保证安全了。因此,接受某个新概念的时候,需要先认清量子科技在其中的作用,再判断这个作用对自己是否需要。

正如刚才所说,量子计算现在发展到无法被经典计算模拟的阶段,但还没有找到一个实际的具体问题,能够被量子计算有效的解决,并超越经典计算。因此,可以说量子计算还没有产生经济效应,现在的产业规模还很小,主要是政府和一些大的科技公司看重未来的前景所做的投资。但在不久后的将来,随着理论和实验技术的提升和突破,我相信量子计算能够逐渐应用在一些实际问题上。

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