量子计算解释:它是如何工作的?

什么是量子计算以及为什么它违反规则

传统计算机使用位处理信息:值为 0 或 1。全部或全部,没有中间立场。经典的 3 位计算机一次可以处理 0 和 1 的组合。然而,量子计算机可以与 量子比特 (量子位),它们遵循与我们所知道的物理学完全不同的规则。

最大的区别在于一个叫做概念的概念叠加.一个量子位在测量之前可以同时为0和1,这似乎是不可能的?这正是它打破经典逻辑的原因,虽然普通计算机需要逐一测试每种可能性,但量子计算机一次探索多种可能性,只有300个量子位叠加,那么你将拥有比宇宙中存在的原子更多的可能状态。

这种指数级处理能力是谷歌、IBM 和微软等巨头在量子研究上投资数十亿美元的原因。

置(Superposition)是量子计算最直观的基础,当你测量一个经典位元时,它已经是0或1,当你测量一个量子位元时,很可能在0或1处找到,但在测量之前,它同时存在于两种状态,这并不是对0或1的真实值是什么的无知。 这确实是在这两个州 直到观察到。

验(著名的双缝实验)中证明了这种行为:一个粒子可以一次通过两条路径,干扰自身,它是量子力学的基础,量子计算机正是探索这一原理,叠加的量子位越多,同时探索的可能性空间就越大。

缠(纠缠)甚至比叠加更陌生,当两个或两个以上的量子位纠缠在一起时,一个的状态瞬间影响另一个的状态,无论它们相距多远,爱因斯坦称之为远距离的幽灵行动,不相信它是真实的。

但这是真实的,而且确实如此 对于量子力至关重要在纠缠的量子计算机中,测量量子位提供有关其伴星的信息,从而创建经典计算机无法重现的相关性。

干(Quantum interference),让量子算法放大正确答案的概率,抵消错误答案,就像调整波浪,使嵴(正确答案)变高,谷(错误答案)消失,如果没有这种概率的操纵,从量子位上读出正确答案只不过是运气问题。

物理量子计算机极其微妙。量子位通常是被困在强烈电磁场中的原子、光子或电子。任何对热、振动、辐射和辐射的干扰都会破坏叠加。因此大多数量子计算机在量子环境中运行 温度接近绝对零度,约-273°C。

处理遵循明确的步骤: 引导程序 (在叠加中准备量子位),以及操作 (应用操纵量子位的量子端口),或者纠缠 (连接量子位以创建相关性)和测量 (得到结果,它将叠加折叠0或1),挑战在于始终保持量子位稳定,因为任何错误都会影响计算。

50至433个量子位之间,目前最先进的量子计算机,IBM在2022年达到了433个量子位,但它们仍然面临着很高的错误率,要解决现实世界的问题,需要达到数百万个逻辑量子位,并大幅减少错误’可能是十年或更长时间的研究。

对于上网或编辑文档等日常任务,经典计算机将保持理想状态。但在某些特定领域,量子位具有指数优势。

加密和安全: 量子计算机可以在几分钟内破解当今使用的大多数加密系统。这导致了后量子密码学的发展,这种算法可以抵抗经典计算机和量子计算机。

分子模拟: 模拟复杂分子是最有前途的用途之一。开发具有特定性能的新药、肥料或材料需要测试数十亿种组合。量子计算机可以更快地完成此操作,从而可能加速医学发现。

优化: QAOA(量子近似优化算法)等量子算法可以更快地解决诸如在配电网络中找到最有效的路线、优化投资组合或调度数百种资源等问题。

机器学习: 一些机器学习算法可以量子地加速。具有数十亿个参数的训练模型在计算上成本高昂;量子实现可以显着降低这一成本。

最大的挑战是 退相干:叠加量子位在受到干扰时迅速失去量子态,一个典型的量子位在崩溃前只维持微秒的叠加,当时计算机需要做数十亿次的运算。

另一个问题是 量子纠错与经典位不同,您不能简单地复制一个量子位来检查其值,因为测量会破坏它。您需要创建具有量子冗余的系统,使用多个物理量子位来保护单个逻辑量子位。估计每个可靠的逻辑量子位需要 1000 个物理量子位。

尽管面临这些挑战,进展仍在加速。云量子计算机已经可用,IBM 通过 Qiskit 平台免费访问其系统。世界各地的研究人员正在测试算法和精炼技术。预计在未来十年,我们将看到第一台具有解决制药、金融和能源等行业实际问题的实用能力的量子计算机。

当量子计算成熟时,它将改变整个行业。在医疗保健领域,药物开发将从几年加速到几个月。在能源领域,太阳能电池板和电池的优化可以带来更高效的技术。在人工智能领域,更复杂、更强大的神经网络将变得可行。

但也有风险:打破传统密码学是一个真正的威胁,政府和公司已经在向抗量子计算机的密码标准迁移,此外,量子计算将放大不等式。

确[定的是, 我们活]在历史时刻, 我们正在见证从理论幻觉到技术现实的转变, 量子计算机并没有打破物理学的规律;事实上, 他们最终恰当地利用了量子力学来处理信息, 这是人类所能达到的最伟大的科学成就之一, 而这场革命才刚刚开始。