涨知识！遇事不决，量子力学

发布者：自由的坚冰 2023-3-28 14:40

“为了生存，人类曾付出巨大的努力和牺牲，赢得了进化的胜利，然而，进化的脚步却从未停止。”——《流浪地球2》

人类追求进步的脚步永无止境，对提高计算机处理信息速度的探索同样执着。作为人类历史上最伟大的发明之一，经典计算机给我们的生产生活带来了巨大的便利。

经典计算机处理信息的速度，有赖于微处理器芯片集成度的提高，而其发展基本遵循的摩尔定律，终将达到物理上限。

经典计算机处理信息速度的“天花板”在哪？

其限制因素之一是热耗散效应，即信息处理的过程中电能会转换成热能向大气耗散，但材料的散热速度有上限，限制了元件的集成度，从而限制了处理信息的速度。寻找新的信息处理方式，将是比寻找散热速度更好的新材料更“治本”的方法。此外，芯片的制程工艺也是一大因素，微处理器芯片元件的集成度进一步提高、尺寸越来越小，必然从纳米量级达到原子尺度，其运动规律将无法用牛顿力学解释。

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经典力学不管用了？“遇事不决，量子力学”这一次说对了，基于量子力学，且以量子力学为运动规律的量子计算机，在此后应运而生。

性能呈指数级增长！量子计算机比经典计算机好在哪

量子计算机，利用原子、电子等微观物质所遵循的物理学规律——量子力学的性质实现处理信息，它以量子比特来表示信息，并使用量子纠缠等技术实现复杂的量子算法。

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不同于经典计算机依靠二进制比特（bit，即0和1）来处理信息，支撑量子计算的量子比特是微小的亚原子粒子，可以同时存在于某种比例的两种状态。

假设存在一台有四个比特的传统计算机，每一秒只能得到一个状态，想要获得所有状态需要16秒。但一台四个量子比特的量子计算机，可以同时计算从0000到1111的所有排列组合，此时一台量子计算机相当于16台传统计算机同时运行的效率。随着比特数的增加，量子计算机与传统计算机之间的性能差距呈指数级增长。

我们或许听过这样一个故事：一位国王输棋后欲给予棋手奖励，即在棋盘的第1个格放1粒麦子、下一格是上一格的倍数，却发现填满64个棋盘格（2的64次方）几乎是不可能的。与这个故事相类似，量子叠加的特性使得量子存储器有着超高的存储量，在理论上而言，量子存储的容量也可呈指数级增长。

同时，在量子纠缠这种特殊的量子态下，两个或多个粒子以一种特别的方式连接在一起，以至于即使粒子之间相距很远，每个粒子的量子状态都不能独立于其他粒子来描述。这即所谓粒子之间是“纠缠”的，一个粒子的量子态的任何变化，都会反映到另一个粒子的量子态中。

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量子纠缠可用来构建量子计算机的量子门，还可实现量子存储，用来存储量子算法的输入和输出。此外，量子纠缠也可用来实现量子传输，即在量子计算机的不同部分之间传输量子信息。

钻木取火到i9处理器的差别？量子计算机发展面临这些挑战

量子计算机的性能，取决于其内置的量子比特数量，具体的性能指标则是“量子体积”。在电影设定上，《流浪地球2》中的量子计算机550W的量子体积为8192，量子比特达到8000以上。

那么，现实中的量子计算机性能如何？

公开资料显示，目前性能领先的IBM量子计算机，其量子体积为128，量子比特则为433。

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随着量子比特的增加，研发难度同时飙升。理想的量子计算机与现实领先的量子计算机之间，在量子体积上相差64倍，而在量子比特方面相差近20倍。正如网友曾作的一个比喻：现阶段的量子计算机与电影中MOSS之间的差距，约等同于钻木取火到i9处理器的差别。

有专家认为，稳定性或是量子计算机当前面临的最大挑战。量子计算机的运行依赖于量子比特，而量子比特的稳定性是非常脆弱的，很容易受外界环境的影响而发生变化，这就导致量子计算机的运行结果不可预测。要想让量子计算机发挥出最大的作用，就必须解决量子稳定性的问题。

由此，可引出现今量子计算机发展面临的一大“门槛”——对绝对低温的依赖。量子纠缠极易受电磁辐射、温度、机械振动的影响，随着量子比特数的增加，上述影响会愈发强烈。为了最大限度降低量子计算当中的噪音，目前普遍采取在0开尔文（-273.15℃）的条件下运行量子计算机的方案。而这一方面会导致量子计算机的成本增加，也降低了其大规模商业化应用的可能。

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同时，由于量子计算机要计算海量数据，量子计算机外也要有不亚于大型数据库机房的存储系统来储存要计算的数据。想要实现像电影中集成为一个小手提箱的程度不仅对量子计算提出极高要求，对相应的存储技术也要求极高。

此外，目前量子计算机的编程语言和编程模型仍处于发展初期，缺乏统一的编程模型和编程语言，使得量子计算机的应用受到限制。且量子计算机的算法研究刚刚起步，仍然缺乏有效的量子算法。

据了解，学术界将量子计算发展分为“实现量子计算优越性”“实现专用的量子模拟机”“构建可编程通用量子计算机”三个阶段。目前，全球量子计算机研发已实现第一阶段目标，达到第二阶段目标是当前主要的研究任务。距离实现550W所展示的应用，至少还需10至15年的时间。

建造实用量子计算机竞争激烈！全球量子计算技术发展“百花齐放”

量子计算这一概念，在上世纪80年代就已经被提出。550系列设定未免有些科幻，但是这符合人类对量子计算机的期待——开启下一个算力时代。

在2012年的时候，美国加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔就提出了一个名词quantum supremacy（量子霸权或量子优势）。它其实就证明了量子计算机是可以全面碾压经典计算机，实现一些经典计算机所完全无法实现的复杂计算任务的概念。

随着这一概念的提出，世界各国对量子计算机的研究与布局明显加速。目前，有超过20个国家提出了量子计算的支持政策，全球约有超过250家公司明确发展了量子计算项目。量子计算或已成为全球科技竞争的下一个热点。

英国《自然》网站在2月6日的一篇报道中提到，建造实用量子计算机的竞赛正迈入新阶段。目前量子计算技术路线已呈现“百花齐放”态势，超导、离子阱、中性原子等“百花齐放”。

在各国的量子计算机计划中，上千比特的量子计算机预计在2023至2025年之间推向市场。据外媒消息，IBM在量子计算软件发展路线图中显示，将于2023年推出数千量子比特、能稳定运行并抗噪声的量子处理器，这标志着量子计算机即将实现商业化。谷歌也表示，在2030年之前，将建造可以容纳100万个量子比特的量子计算机。