为什么需要量子计算机(为什么要研究量子计算机)

事实上，关于量子计算的科普文章有很多，我之前也写过，但这篇文章的视角略有不同：为什么我们需要量子计算，为什么我们近年来受到如此多的关注？如果我们能回答这些问题，可能会让一些人松一口气。量子计算不是科学家的狂想曲。

它是这个时代的产物。正如量子力学和相对论是人类在20世纪留下的辉煌印记一样，量子计算可能成为人类在21世纪留下的又一个永久污点。

我们生活在计算机时代。

人类对计算能力的渴望是无止境的。算力的提升，从拴绳的时候开始，就与文明的进步息息相关。古希腊的毕达哥拉斯学派甚至将其视为真理。今天，我们已经习惯了计算的好处。

以至于大多数人都忽略了它的伟大。当我们在屏幕上滑动并输入关键字时，搜索引擎会弹出我们想要的结果。这些操作可以在几秒钟内完成。有多少人知道背后做了多少计算？有多少人知道当我们开心地喝酒时，

刷小视频的时候，机器在拼命计算下一个视频推给你。在疫情严峻的当下，我们每个人配合扫码，看看有多少人能感知到计算在抗疫中的巨大成就。如今，我们的计算能力已经达到了顶峰。

机器攻克了——围棋，这是人类引以为傲的最后一座智力堡垒。接下来，该机器还试图征服自动驾驶和超宇宙。可以说，我们生活在一个计算时代。

印加文明笔记：芯片

今天的超级计算能力归功于一种叫做晶体管的非线性元件，它由——硅制成，这是自然界中最常见的材料，但它凝结了人类的顶级智慧。它在我们周围无处不在。

但它诞生在最干净无尘的工厂里。它如此迅速地改变了我们的生活，但现在我们发现自己在中国被别人控制了。这是一个芯片。

在顶级硅半导体芯片中，数百亿个晶体管根据这种称为布尔代数的二进制逻辑运行。这种逻辑效率很低，但非常灵活和普遍，以至于摩尔定律在50多年的指数增长后消灭了所有对手，它几乎成为唯一的计算工具。

摩尔定律已经提出50多年了，今天仍然有效。相应的计算能力也在成倍增长。随着晶体管的尺寸越来越小，接近纳米水平，摩尔定律迟早会走到尽头。这其实是老生常谈了。我想说的是，在今天的互联网时代，即使摩尔定律长期有效，

但事实上，计算能力的发展远远赶不上互联网上数据膨胀的速度。与互联网所包含的实际信息量相比，我们可以通过计算从互联网中挖掘的信息量将少得可怜。如果我们把数据想象成一座矿山，把计算能力想象成一台挖掘机，

挖掘机在矿山面前会变得越来越小。在这种情况下，对超越当前范式的新计算能力的需求开始凸显。在这种背景下，我们可以理解为什么谷歌这样的公司如此重视量子计算，并毫不犹豫地下水，因为它拥有矿山。

摩尔定律50年量子计算成为现实

话虽如此，话题终于来到了量子计算。当许多人听到量子时，很容易将其与神秘现象联系在一起。什么既是波又是粒子，什么是瞬时运动？其实没必要和人谈量子，最怕陷入虚无主义和认知理论，因为我其实是个实验者。

我不是哲学家，我喜欢从实用主义的角度来看待量子：它准确地描述了物质底层的行为模式，现在仍然非常准确。好吧，让我们看看在量子规则下我们能做什么非凡的事情。用量子计算绝对是上个世纪最大胆的想法之一。

因为在那个时候，控制量子世界的能力与现在大不相同，以至于最初的几个重要的量子算法，包括Shor算法和Grover算法，实际上都是由数学家创造的。他们将此作为数学玩具进行研究。

从未想过实现的问题

在21世纪，情况完全不同。2012年，诺贝尔物理学奖授予了塞尔吉哈罗什和大卫j怀英格兰德，以表彰他们在测量和操纵独立量子系统方面取得的突破性实验进展。他们首次捕获了原子。

利用光与原子的相互作用实现对原子量子态的操纵和测量。——这实际上是离子阱中量子计算的开始。这项工作打开了操纵和读取量子态的大门，也点燃了在物理学中实现量子计算的希望之火。从那以后，量子比特、量子门、

量子计算不仅处于数学和理论阶段。

2012年诺贝尔物理学奖得主

在世纪之交，还有另一个重要的突破。日本理化学研究所蔡课题组首次在超导岛上发现了量子振荡现象。与哈罗彻和瓦内兰的工作最大的不同是，

此时的量子系统是一个宏观量子系统。——个宏观电子参与了整个量子过程。这个超导库伯盒就是超导量子计算的前身。最受关注的量子计算候选之一，宏观系统易于操纵和读取，其制造工艺在很大程度上与半导体芯片兼容。

这导致了这一制度在随后的十年中具有超强的生命力。

早期的超导量子比特，包括上面提到的铜盒、磁通量量子比特和相位量子比特，解决了许多与操纵、耦合和读取有关的技术问题。

然而，它始终受困于一个重要指标，即——退相干时间。退相干时间是指系统量子消失并趋向经典系统的特征时间。我们知道没有一个系统是完全孤立的，否则，这个系统就像不存在一样。

它不是一个可以计算的孤立的量子比特。它必须与外界互动。否则，我们如何操纵它和测量它将不可避免地导致量子信息的丢失。自然粒子，如原子，可以有很长的寿命，它们只与光子有很弱的相互作用。

这就变成了一把双刃剑：因为相互作用很弱，量子性质很强，同时由于相互作用很弱，我们很难操纵和测量它，这在一定程度上解释了为什么哈罗彻和瓦内兰获得了——年诺贝尔奖，这真的太难了。

超导量子比特的情况正好相反。量子比特的超精细能级是由宏观库珀对的集体行为引起的。它是在一个宏观的固体系统中，那里的环境比单个原子的环境恶劣得多。我不知道光子从哪里来，残留的电子，以及外部电磁场扰动产生的电荷。

磁场的变化会影响量子比特。此外，它是一个宏观自由度，因此与这些外部自由度的耦合强度也很强，导致量子比特信息在很短的时间内丢失。

2007年，去相干的时间来到了一个转折点。当时，该领域的科学家已经注意到增加电容对抑制充电噪声的影响。

耶鲁大学的科赫和中国的尤分别在库伯盒系统和磁通量子比特系统中系统地研究了增加旁路电容对改善退相干时间的影响。前者是目前流行的transmon量子比特。从那以后，

超导量子比特的消相干时间很快达到10微秒到100微秒的量级，与10纳秒的操纵时间相比，这是一个非常长的时间。

加州大学圣巴巴拉分校的Martinis团队迅速提出了基于transmon量子比特的可扩展方案和系统化电子解决方案，为超导量子计算进入工程领域奠定了基础。后来，这个团队加入了谷歌。

为谷歌创造了梧桐芯片，创造了轰动一时的量子霸权里程碑。先按一下按钮，这个故事就可以发表在第一期。

谷歌的Simimo芯片

简而言之，今天，量子计算已经逐渐从数学家的玩具和理论物理学家的想法变成了现实。有许多实验物理学家和工程师的努力，这在外人看来很难是人道的。无论如何，随着这些实验，随着技术的进步和积累，

我们有资格谈论量子计算的未来，并吹嘘量子计算将如何碾压传统计算。

量子计算的力量

比特的概念起源于香农的信息论。根据一些资料，这个概念是由数学家在更早的时候创造的。它用于表示二进制代数逻辑中的最小信息单元。在传统计算机中，信息是以比特为单位进行编码、处理、传输和获取的。在量子世界中，

信息的最小单位变成了量子比特，量子比特也是信息编码、处理、传输和获取的单位，但现在它是一个可以在量子场中相干叠加的双态系统。身体上，

它是一个可区分的两能级系统，多个量子比特可以一起构成一个复合系统。如果他们能纠缠在一起，那就是见证奇迹的时刻。

纠缠是量子世界独有的。它隐藏着非常深奥的物理学知识，至今无法完全理解，但我们已经通过大量的实验证实了它的存在。以两个量子比特组成的复合系统为例：这个系统可以处于量子态。此时，如果你把它们作为一个整体，

这个系统是量子的，但是一旦你单独看一个量子比特，这个系统就不再是量子的了。换句话说，复合系统只能被视为一个整体，不能从其子系统中获得任何信息。从数学上讲，纠缠系统开辟了更大的直积空间。

这个直积空间的维数伴随着比特数呈指数增长下面是几个吓人的数字：当N=50时，这个空间的维数大约等于最先进的超级计算机一秒钟的计算次数，当N=300时，维度已经超过了整个已知宇宙中所有原子的总和

纠缠导致的这种恐怖的维度膨胀为计算问题提供了巨大的编码空间，使得一些问题在更高维度中寻求更高效的解决方案经过一百多年的发展，传统的计算机和理论已经能够高效地解决很多问题，但是仍然有很多问题无法解决，

比如天气预报，股票价格，癌症药物如果这些问题都能够被精确计算，那么我们的世界将会变得特别美好，也许还会特别无聊比如我们可以精确的计算出国足下一场比赛会输多少次可惜量子计算也解决不了这些问题好吧，

那我们为什么要这么麻烦！别担心，我们发现有些问题在量子计算的框架下可以用惊人的效率解决，这些问题意义重大

其中之一就是著名的Shor算法在今天的互联网中，我们浏览网页，输入用户名和密码怎样才能保证不会被别人偷看怎样才能防止别人窃取我们的银行卡密码有人说，盖起来其实在互联网上，没有加密系统的保护，

这些信息几乎是透明的互联网的另一个特点是，信息可以瞬间传到地球的任何一个角落：偷看你密码的人，此时可能正在毛里求斯抱着脚喝椰子水传统的点对点加密不适合互联网伴随着节点的增加，

光加密将是一场灾难一种非对称加密系统——RSA密码有效地解决了这个问题不对称是指加密和解密使用的密钥不同：一个私钥，用于解密，用于加密的公钥公钥是公开的，

任何人都可以获得如果李四要给张三发送一条无法形容的消息，需要用张三公布的公钥加密张三收到后，用私钥打开就可以享用了这时候，如果一个王五暗中觊觎这些资料，对不起，他虽然可以拿到手里的公钥，

但是没有私钥无论如何也打不开因为任何想和张三通信的人都可以共享一个公钥，这个加密系统大大节省了所需的密钥资源

这个加密系统保护了互联网很多年，很少出错而它的加密原理来自于一个数学发现：大数不可分原理两个已知的大质数，相乘得到一个更大的数，细心的初中生就能算出结果但另一方面，我告诉你乘法的结果，

问你两个质数相乘的是哪两个顶级数学家都要傻眼了目前人类最得意的战绩是破解RSA—768

1230186684530117755130494958384962720772853569595334792197322452151726400507263657518745202199786469389956474942774063845925192557326303453731548268507917026122142913461670429214311602221240479274737794080665351419597459856902143413

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目前常用的是RSA—1024和RSA—2048，后面的数字是指数因为解决这个问题的难度是伴随着问题的规模指数而增加的，现代计算机只能巍然屹立，望尘莫及

Shor算法得益于量子傅里叶变换的指数加速，可以在拟多项式的困难下解决上述问题本来要几百万年才能破解，直接缩减到秒量级——降维Shor算法很可怕，

但在20世纪不会是问题：用当时的技术实现Shor算法比去火星还难

现在情况不一样了，以前一直啰嗦每个人都很害怕，因为密码世界里最让人头疼的一个问题是，你永远不确定你的密码是否被破解了另外，现在无法破解的密码可以保存，即使20年后被破解，

杀伤力也足够了所以Shor算法的出现，尤其是技术实现的可能性，迫使人们积极寻找新的加密形式中国偏爱量子通信，在这方面领先世界，而美国人偏爱量子密码，欧洲人不想玩.总而言之，

这是一个亟待解决的问题如果任何一方先固定了破解方式，国际制衡就会瞬间被打破，后果不堪设想

另一个有用的量子算法是Grover算法：在非结构化数组中搜索目标比经典算法快n倍，n是数组的长度这种加速能力相比Shor算法相形见绌，但或许这种算法更有用，因为搜索问题是解决很多问题的基础，

是挖掘信息的重要手段当n很大时，这种算法的好处是非常显著的现在互联网上每时每刻产生的海量数据，不就对应了这种非常大的情况吗

长时间运行

夸下海口之后，我们不得不面对现实：上述两种算法，以及它们的衍生算法，对操控和读取错误率的要求极高，几乎要求量子位完美无误问题是任何物理系统都会出错，

任何实际操作都是准确的我们可以通过制造一定的冗余来实现纠错，这也是早期传统计算机研究中的一个重要课题有趣的是，如今半导体芯片出错的概率如此之低，

纠错变得完全没有必要就在这些纠错的理论遗产即将丢失的时候，量子计算继承了它们

量子纠错是实现量子计算的一大挑战，短时间内很难实现即使找到表面编码等拓扑码纠错技术，也能把纠错要求降低到当今技术可接受的水平这是一个非常复杂的科学与工程的交叉问题只有当比特数达到1000的规模，操纵，

隔离，读取等技术同步进步，那么也许我们才能真正面对这个问题

在此期间，是否应该耐心等待量子纠错的突破其实并不是所有人都这样目前，整个领域的科学家和工程师都更加关注有噪声的中尺度量子计算这个思路就是根据目前量子硬件的水平，允许噪声的存在，

寻找有实际应用价值的量子算法或者量子模拟方法因此，当前的研究热点是基于经典—量子混合计算的可变分量子算法和量子近似优化算法它们的应用场景包括量子化学计算，金融投资组合优化，

人工智能等一旦在某个应用领域实现了量子优势，我们对量子计算的信心就能持久，吸引更多的资金和人才加入，进而克服量子纠错等困难

去修远的路很长！我会上下搜索量子计算是一条艰难的路我们在最前沿，看不到前进的方向也许我们会闯入迷宫，我拔出我的匕首，我徒劳地窥视四个方向，也许我们会穿过迷雾，

向前看前方的路！有人认为这是国与国之间的较量，但我认为这是人类精神的一次闪耀我们可能会失败，但我们不会低头