不久前,经典计算机的局限性促使科学家开发出一种新型计算——量子计算。量子计算机使用量子位而不是经典位,并且可以比经典计算机更快地执行某些计算。这一优势可能会改变许多领域,让我们的生活变得更美好。在本文中,我们将概述量子计算,包括量子计算可能带来革命性变革的行业和领域。我们还将讨论与这项技术相关的挑战和风险,以及它的未来。

IBM 量子计算系统的内部。(来源:IBM )
什么是量子计算?
自从量子理论在 20 年代发展起来,以及第一台可编程计算机——电子数值积分器和计算机 ( ENIAC ) 于 1945 年建成以来,计算已经取得了长足的进步。该机器是第一台“自动、通用、电子、十进制,数字计算机”,根据 Edwin D. Reilly 的书《计算机科学和信息技术的里程碑》。量子计算到底是什么?简而言之,它是一种快速新兴的技术,利用量子力学定律以比经典计算机更高效、更强大的方式解决复杂问题。 对于某些问题,超级计算机并不是那么超级。 从本质上讲,量子计算依赖于使用量子位(qubit)来处理和操纵信息。与只能存在于两种状态(0或1)之一的经典位不同,由于叠加现象,量子位可以同时存在于多种状态。这使得量子计算机能够同时执行许多计算。量子计算的另一个关键原理是纠缠,它允许量子位以这样一种方式相互关联:一个量子位的状态可以立即影响另一个量子位的状态,即使它们在物理上是分离的。这使得量子计算机能够比超级计算机更快地执行某些任务——分解大数、搜索大型数据库等。量子计算机如何工作?
正如刚才提到的,量子计算机使用量子比特而不是比特来运行多维量子算法。量子位是使用超导体创建的,超导体表现出量子力学效应,例如库珀对,可以通过量子隧道效应携带电荷穿过绝缘体。可以通过向量子位发射微波光子来控制和操纵量子位的行为。量子位可以处于叠加状态,代表量子位所有可能配置的组合。叠加的量子位组可以创建复杂的计算空间,可以以新的方式表示复杂的问题。量子计算机比超级计算机更小,需要的能量更少,但需要非常冷,这是通过使用超冷超流体来实现的。
量子计算的现状
量子计算是一个快速发展的领域,它将彻底改变解决复杂问题的方式。包括 IBM、谷歌和 Rigetti 在内的几家公司已经建造并利用了量子计算机。这些计算机的大小从几个量子位到超过 100 个量子位不等,每台计算机都有自己独特的架构和功能集。- 2017 年,Rigetti 宣布推出 Forest 1.0 公开测试版,这是世界上第一个量子计算全栈编程环境。
- 谷歌的Sycamore 是一款拥有 53 个量子位的量子处理器。它开发于2019年,声称可以在200秒内完成一项需要高端超级计算机10,000年才能完成的任务。
- IBM Quantum System One 量子计算机也是 IBM 于 2019 年推出的。它包含一个 20 量子位 transmon 量子处理器,安装在 2.7x2.7x2.7 米计算系统中。有趣的是,IBM 在 2022 年 IBM 量子峰会上宣布了新型 433 量子位“Osprey”处理器。
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