什麼是量子計算？

今年是英特爾 4004 誕生 50 週年，它是世界上第一款微處理器，也是一項繼續以驚人速度發展的工程成就。藉助摩爾定律和丹納德縮放的成功，今天的計算機使過去處理器的突破相形見絀。事實上，你現在使用的手機或平板電腦比世紀之交的超級計算機擁有更多的計算能力。將這種處理能力與機器學習和其他算法突破的迅速崛起相結合，我們即將進入2017 年圖靈獎獲得者所說的“計算機架構的新黃金時代”。

雖然到達這一點並非易事。在過去的幾十年裡，物理學、計算機體系結構和軟件設計領域最傑出的人才需要聯合起來，利用和控制電子的經典特性進行計算。他們一起圍繞數十億個數字 0 和 1 構建了一個完整的生態系統，涵蓋從算法到編譯器、微處理器到數字門的整個堆棧。

在啓動我們的高端 PC 或不斷檢查我們的手機時，我們可能認爲理所當然的是數十年研究、實施和迭代的結果，並且很可能會持續到可預見的未來。

或者會嗎？

量子計算硬件：

IBM（上）和微軟（下）

同時，量子計算機很可能不會取代經典機器，而是與經典計算機一起工作以加速某些應用程序。這類似於當今通常使用 GPU 來加速圖形和像素操作的方式。爲此，量子計算硬件通常被稱爲 QPU 或量子處理單元，並且將由/將受主機處理器（例如 CPU）控制。事實上，量子算法通常涉及經典的預處理或後處理，並且需要以這樣的方式構建，以便作爲經典系統的協處理器運行。

正如科學家和從業者齊心協力帶領我們進入當前的信息時代一樣，他們必須再次爲量子計算機這樣做。然而，這一次，挑戰不是利用和馴服電子的經典特性，而是控制我們宇宙的量子特性並將其用於計算。

這場量子之旅將帶我們回到 20 世紀更早的時候，回到阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾之間關於我們都生活的物理世界的性質的思想分歧。

2 分鐘解釋量子計算......

現代計算機只使用兩種狀態：開和關（1 和 0）。我們已經利用這些功能大規模地進行邏輯運算，現代處理器每秒可以執行數十億次這樣的運算。

量子計算改變了範式，並根據量子力學原理工作，其中狀態不再是二進制的，可以同時爲 1和0。量子計算的研究還處於非常早期的階段，我們今天可以進行的計算不穩定且容易出錯。相信在未來幾年和幾十年，量子計算能力將遠遠超過我們用“經典”計算機所能做到的，特別是解決某些當今處理器非常具有挑戰性的計算問題。

但是，當然，這幾乎沒有掌握基礎知識。繼續閱讀我們解釋這個引人入勝的話題。

理解量子計算機的“量子”

在深入研究量子計算機的工作原理之前，需要簡要介紹一下粒子的量子性質。量子特性與經典特性截然不同，正是這些特性爲量子計算機提供了“強大”的計算能力。我們沒有推導出控制量子計算機的公式，而是試圖在這裡掌握對量子特性的概念性理解，這有助於推動量子計算機。

1927 年，索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。當時最偉大的物理學家齊聚一堂，討論新形成的量子理論的基礎。29 位與會者中有 17 位是或成爲諾貝爾獎獲得者。這場歷史性會議的核心是兩個觀點相互衝突的思想：新成立的量子理論的擁護者尼爾斯·玻爾和致力於揭穿量子理論“完全錯誤”的阿爾伯特·愛因斯坦。

在爲期一週的會議中，愛因斯坦將在玻爾提出挑戰和思想實驗，內容是尋找量子理論中的缺陷。每天，玻爾和同事都會研究每一個挑戰，並在第二天早上吃早餐時向愛因斯坦提出反駁。玻爾甚至有一次用愛因斯坦的相對論來對付他。在會議結束時，人們認爲玻爾贏得了爭論，爲愛因斯坦的每一個挑戰提供了反駁。

然而，愛因斯坦仍然不相信。儘管玻爾做出了迴應，但愛因斯坦現在認爲量子理論一定缺少一些東西。1933 年，愛因斯坦在新澤西州普林斯頓定居，並招募了 Nathan Rosan 和 Boris Podelsky 來尋找量子力學的潛在缺陷。他們一起工作，發現了量子物理數學中的一個悖論！愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論（或 EPR 悖論）發現了粒子之間看似不可能的聯繫。具體來說，他們發現距離較遠的兩個粒子可以在現實世界中表現出相關和匹配的行爲。

例如，假設兩個粒子各自隱藏在相隔一定距離（例如，一米）的單獨杯子下。根據數學，揭開並觀察一個杯子下面的粒子會神秘地揭示第二個杯子下面具有匹配特性的另一個粒子。愛因斯坦有句名言：“幽靈般的遠距離行動”。事實上，EPR悖論論文是愛因斯坦被引用最多的工作，後來許多物理學家和實驗家試圖解決和解釋這個悖論。有沒有實驗可以證明愛因斯坦或玻爾是否正確？

儘管量子力學的美麗方程中有這個（儘管很大）皺紋，但量子理論仍然起飛。1940 年代的曼哈頓計劃、激光的發現，甚至晶體管（經典計算機的組成部分）的發展，都建立在量子理論正確的“推測”之上。直到 1960 年代，量子糾纏問題才真正得到解答。

量子糾纏

雖然基於量子力學的科學發現不斷涌現，但 EPR 悖論帶來的理論挑戰困擾了許多物理學家幾十年來。衆所周知，對量子的思考讓人們被物理系開除了！然而，來自北愛爾蘭的物理學家約翰貝爾對 EPR 悖論感到非常困惑，他決定在業餘時間修補它，同時在日內瓦歐洲核子研究中心擔任粒子物理學家，作爲他的“日常工作”。

也就是說，直到它在 1972 年偶然落在約翰·克勞瑟的辦公桌上。克勞瑟非常喜歡這篇論文，但他想，“哪裡有實驗證據來支持這一點？” 他決定進行一項實驗來測試它。

在加州大學伯克利分校與斯圖爾特弗裡德曼一起工作並使用最近發現的激光，設置很簡單：將激光照射在鈣原子源上，它會發出一對光子（根據量子理論）應該糾纏。他們使用過濾器後面的探測器測量光子，並檢查光子通過過濾器時是否相關。令許多人驚訝的是，它與玻爾的預測相符，說明光子之間的“幽靈”聯繫確實與實驗結果相符。

然而，並不是每個人都完全相信這個實驗。一些人認爲，過濾器可能不是真正隨機的，可能會影響實驗期間進行的測量。不過，在 2017 年，進行了一次全面的宇宙鍾測試。這一次，維也納大學的物理學家設計了一個與 1974 年版本類似的實驗，但使用來自兩個 80 億年前的類星體的光來控制兩個望遠鏡上的濾光片進行實驗。結果顯示了類似的結果：遠處的粒子實際上是糾纏在一起的。

這就是量子計算機工作原理背後的一個基本概念。現代計算機的基本組成部分是“位”，當它們串在一起時，可以對信息進行編碼並執行計算。另一方面，量子位（或量子位）實際上彼此糾纏在一起。操縱一個量子位實際上可能會影響系統中的另一個量子位。就可以存儲和操縱的信息量而言，這種糾纏行爲可能極具表現力。但是，正如您可以想象的那樣，爲了實現量子計算機，還有更多的量子物理學需要解開。

量子疊加

量子糾纏只是等式的一部分，它使量子計算機與經典計算機有着根本的不同。另一個重要的概念是量子疊加。這個原理說一個量子粒子可以同時以多個疊加態存在，直到它被測量爲止。

讓我們首先解開該陳述的第二部分，關於量子粒子的測量。這種性質通常與奧地利物理學家 Erwin Schrödinger 和他關於盒子裡的貓的理論思想實驗更相關。簡單來說，薛定諤說，如果你把一隻貓和可以殺死貓的東西（一種放射性原子）放在一個盒子裡並密封起來，直到你打開盒子，你纔會知道貓是死是活，所以直到盒子被打開，這隻貓（在某種意義上）既“死了又活了”。

更廣泛地說，貓死的概率是不可忽略的，盒子關閉時貓還活着的概率也是不可忽略的。只有當你打開盒子時，你才能確定貓是真的死了還是活着，但此時“系統”被測量破壞了。

對於更技術性的示例：單個經典位只能是兩個可能值之一：0 或 1。量子位可以同時爲部分0 和部分1，更正式地稱爲兩者的疊加值。因此，在測量之前，一個量子位可以（例如）是 25% 0 和 75% 1。但是，一旦測量到，觀察到的值將是 0 或 1（不是兩者兼而有之）。從概率上講，如果您要對這個量子位執行數十萬次測量，您會期望 25% 的測量結果爲 0，其餘 75% 的測量結果爲 1。雖然沒有測量，它確實處於 0 和 1 的疊加狀態。

粒子的這種量子性質再次從根本上令人難以置信，我們的經典計算思維方式。然而，從數學的角度來看，它實際上效果很好。如果我們將經典計算視爲布爾代數定律下的運算，那麼量子計算則是在線性代數規則下運作的。這在量子計算機的設計中增加了一個全新的複雜度，但也增加了計算機基本構建塊的表現力。

量子退相干

糾纏和疊加可以被認爲是實現量子處理的物理現象。唉，由於量子退相干，大自然並沒有讓利用它們的力量變得微不足道。

在經典計算機中，我們已經掌握了在晶體管中保持電荷的能力，使其在計算期間保持在“0”或“1”，甚至在將數據存儲在非易失性存儲器結構中時甚至可能更長時間。然而，在量子系統中，量子位往往會隨着時間的推移而崩潰或退相干。這使得在量子領域執行計算變得極具挑戰性，更不用說試圖控制多個相互糾纏的量子比特了。

剩餘的量子位主要用於在我們試圖在量子級別控制的嘈雜環境中進行糾錯。儘管存在粒子級噪聲，當前的研究大量投資於試圖正確控制量子態，而這樣做極具挑戰性。

量子計算機的用處

量子物理學爲一個充滿可能性的全新世界打開了大門。也就是說，從根本上理解量子力學的工作原理以及如何控制和利用它來設計量子計算機是一個完全不同的挑戰。

偏光眼鏡中的量子物理學

但是讓我們假設我們擁有完全控制量子粒子進行計算的技術能力，並且噪音不是問題。在這樣的世界裡，量子計算能讓我們做什麼經典計算機做不到的事情？從技術上講，哪些算法賦予我們超越經典算法的量子優勢？

Shor 算法和 Grover 算法

鼓勵對量子計算研究進行大量投資的最著名的量子算法是用於整數分解的 Shor 算法和用於搜索的 Grover 算法。

Shor 的算法解決了這個問題，“給定一個整數，找出它的所有質因數。” 整數分解是許多加密函數的核心，特別是因爲求解大數所需的計算複雜性。量子算法是成倍比最好的經典版本速度更快，它通過利用量子糾纏和疊加的上述性能這樣做。就現實世界的後果而言，這可能會有效地破壞我們如今在許多應用中所依賴的加密安全性（如果量子計算機落入壞人之手）。

Grover 算法同樣優於經典搜索算法。雖然大多數經典算法需要在搜索操作期間至少“看到”大多數對象，但 Grover 算法可以通過僅觀察所有對象的平方根來以非常高的概率完成其搜索。由於搜索是許多算法的核心，格羅弗算法可以徹底改變科學計算的格局並加速許多問題領域的發現。

對於量子霸權的一個令人難以置信的例子，如果我們可以將 Shor 算法的強大功能與 Grover 算法結合起來會怎樣？如果我們想破解一個 N 位密碼，經典機器需要按順序嘗試所有可能的密碼組合，直到正確的組合才能解鎖系統（因此我們目前享受的密碼強度）。然而，在 N 量子位系統中，我們的量子機器理論上可以同時探索所有這些組合（謝謝，疊加！）。隨後，我們可以使用 Grover 算法篩選所有這些組合（“快速”是輕描淡寫），並以非常高的概率告訴我們哪個位序列將破解密碼。

量子計算專家用5個難度級別解釋一個概念

破解密碼功能並不是量子計算機的唯一用例（儘管非常流行）。使用量子計算機，我們還可以設計更安全的通信通道。正如潘建偉博士所表明的那樣，我們可以利用糾纏的特性來揭示我們是否在量子系統中被窺探。由於糾纏的粒子必須表現出相同的行爲，因此截獲的數據傳輸將本質上改變一個粒子的屬性並打破糾纏。這種技術已經在探索用於銀行和數據公司，以幫助保護他們的基礎設施，我們只能推測“量子互聯網”可能是如何設計的。

然而，這些應用程序和算法距離實現還有幾十年的時間，因爲這樣的系統需要實現許多可靠的量子位。目前，科學家和研究人員專注於近期的 NISQ 算法，該算法可以在嘈雜的系統中展示量子霸權。變分量子特徵求解器 (VQE) 和量子近似優化算法 (QAOA) 等算法是說明量子計算近期潛力的主要候選算法。

在經典計算時代設計未來量子算法的一個直接後果是，研究人員正在發現經典算法的更多改進版本。這個重要的反饋迴路將使我們能夠繼續在科學領域取得現代成功，直到設計出大規模量子處理器並廣泛可用。

未來的挑戰

量子計算確實是一個跨領域的領域，需要多維度的創新。回顧經典計算的早期，硬件技術經歷了多次迭代和探索，直到業界將 CMOS 晶體管確定爲集成電路中的實際構建塊。類似地，設計一個量子位和量子系統（即使用什麼原子粒子、如何進行計算的量子轉換以及如何測量系統）是一個活躍的研究領域。

後 NISQ 時代的另一大挑戰是降噪。量子退相干確實限制了量子計算的高天花板。瞭解如何在硬件和軟件方面構建可靠的系統讓人想起 1960 年代和 1970 年代，當時經典計算資源稀缺且不可靠。在量子水平上這樣做是一個全新的挑戰。

構建端到端系統（例如我們今天喜歡的用於計算、娛樂和科學發現的系統）是量子處理的最終成功指標。我們如何在高度進化的計算環境中整合量子處理器？允許人類對自然的基本物理位進行編程的庫、API、編譯器和其他系統工具在哪裡？

更緊迫的是：量子計算機的潛在應用和後果是什麼，它將如何改變我們生活的世界以及我們如何與之互動？

在我們的量子計算解釋器的第 2 部分中，我們將深入探討當前量子計算系統的設計。講完量子力學的基礎知識，下一步將是漫步於如何設計量子電路、微體系結構和 NISQ 時代的編程環境。