我们听说量子计算机至少有几年了。 但它是什么？ 量子计算机有什么用？ 今天，一切都用简单的语言来表达。
量子 计算机 是许多研究人员寄予厚望的一项发明，期望它能对科学的发展产生积极的影响。 然而，理解量子物理学的工作原理非常困难。 一些物理学家甚至怀疑现在的“量子计算机”是否应该这样称呼。 使用量子计算的最大障碍是大量错误，即使是量子机器环境中最小的变化也会影响这些错误。 到目前为止，我们还没有设法完全令人满意地利用量子比特的潜力。 今天我们将尝试找出这些非常量子位的特别之处是什么？
量子计算机存在吗？
任何真正的科学家的本质是不信任和一直检查。 当我还是学生的时候，我就记住了这些话。 他不止一次地确定这句话的正确性。 这也适用于“量子计算机”。 为什么我要引用这些计算机的名称？ 让我们找出来。
量子计算机是一个非常复杂的话题，但我会尽量让它变得简单，并以通俗易懂的方式来谈论它们。 即使在今天，科学家、物理学家和工程师仍然可以就世界上某个地方是否存在一台工作的量子计算机这一看似简单的问题进行辩论。 “但是，毕竟像 IBM 这样的公司如何吹嘘量子计算机！”——有人可能会说。 他会是对的。 IBM 是否真的创造了一台量子计算机，或者简单地将其设备称为“量子计算机”，这仍然是一个悬而未决的问题。
当我的一位朋友要我用简单的语言解释量子计算机与我们习惯的计算机有何不同时，我通常会使用简单的比较。 如果我们的经典计算机（例如 个人计算机, 手提电脑 那 智能手机) 是蜡烛，那么量子计算机就是灯泡。 两者的目的是一样的——对白炽灯和蜡烛来说是发光，对计算机来说是计算。 然而，在这两种情况下，实现目标的方式完全不同，结果也不同。 简单地说，量子计算机不仅仅是现代计算机的改进版本，就像灯泡不仅仅是更大的蜡烛一样。 您不能通过使蜡烛变得越来越好来制造灯泡。 灯泡不一样 技术，基于更深入的科学理解。 同样，量子计算机是一种基于量子物理学的新型设备，就像灯泡改变了社会一样，量子计算机可以影响我们生活的许多方面，包括安全需求、医疗保健，甚至互联网。
因此，如果我们坚持将计算机与灯泡进行比较，那么“量子 Joseph Swan”（第一个功能性白炽灯泡的创造者）尚未出现，到目前为止，科学正在尝试，简单地说，使通过检查“红色和热的东西”，它发光了多少。 我们知道量子计算机如何工作的一些理论基础，但它们的发展仍有巨大障碍有待解决。
世界各地的研究中心和公司正在进行进一步的测试和研究，量子物理学领域的专家一致认为，创造出我们可以用来实现现阶段不可能实现的目标的功能齐全的量子机器显然将通过数十年年。
我相信，而且许多科学家都会同意我的看法，目前被称为量子计算机的机器根本配不上这样的名称。 他们缺乏执行计算或解决我们无法以正常、经典方式解决的问题的能力。
我们的技术发展还没有达到这样的程度，以至于我们能够创建一个量子机器来解决目前经典计算机无法解决的问题。 当然，谷歌或 IBM 谈论了一些或其他执行的计算，这些计算很难以经典方式进行，但目前它们并不令人信服。
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什么是量子？
到底什么是“量子”？ 它不是物理对象。 “量子”一词在物理学中用于描述某物的最小可能部分。 所以你可以有一个“力量子”、一个“时间量子”或一个“粒子量子”。 沿着这条道路，我们将得出诸如“量子物理学”和“量子力学”之类的术语，即处理最小可能相互作用或系统的科学分支——在原子甚至单个夸克的水平上。
而现在我们已经到了量子比特（quantum bit），即“量子信息的最小且不可分割的单位”。 同时，我们也来到了第一点，它告诉我们经典计算机（使用比特）和量子计算机（使用量子比特）进行计算的异同点。
在经典计算机中，每条信息都存储为一系列 和 。 此类信息由计算机、控制台、智能手机感知和解释， 智能手表 那 智能电视，类似于对此信息执行的操作。 无论我们是在看度假照片、与朋友聊天、玩最新游戏还是执行高级密码计算，一切都发生在二进制系统中，其中只有 0 或 1，没有其他任何东西。 事实上，它更像是一个经典的是或否。
当我们达到其极限时，可以看出该系统的效率有多低。 无论是我们的智能手机空间不够用了，无法再拍一张自拍，还是科学家正在尝试创建流行病发展的数学模型，问题在于零和一太多，存储它们的资源和能力计算它们不可用。
量子比特解决了这个问题。 这条信息利用了量子物理学的特性，使其能够保持所谓的叠加态。 一个量子比特可以取 0 到 1 之间的任何值。它具有整个光谱的属性，可以有 15% 的零和 85% 的一等值。 从理论上讲，这可以让您保存更多信息或加快计算速度。 但与此同时，也出现了很多难以控制甚至难以理解的问题。
量子计算机的另一个特征是使用量子纠缠，可以进一步扩展计算能力。 这是一种两个量子比特相互连接的状态，每次我们观察其中一个，另一个就会处于完全相同的状态。 纠缠允许将量子比特组合成更有效的单元来记录和处理信息。
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量子设备
量子计算机由三个主要部分组成：存储量子位的区域、将信号传输到量子位的方法以及运行程序和发送指令的经典计算机。
构成量子比特的量子材料非常脆弱，对环境影响极其敏感。 对于某些量子比特存储方法，容纳量子比特的单元保持在接近绝对零的温度，以最大化它们的相干性。 其他类型的量子比特存储使用真空室来最小化振动并稳定量子比特。
有多种方法可以将信号传输到量子位，例如微波、激光和电压。
为了建立量子计算机的正常运行，需要解决很多问题。 量子计算机的一个主要问题是纠错，缩放（添加更多的量子位）进一步增加了它们的频率。 由于这些限制，您桌上的量子个人计算机仍然是一个遥远的未来，但商用量子计算机可能会在不久的将来问世。 让我们更详细地谈谈这个。
量子计算机的问题
然而，量子计算机有一个大问题。 也就是说，科学家们在使用它们时遇到了一个巨大的问题，因为由于它们的特殊属性，量子位需要一个足够平静的环境才能准确地读取它们的任何数据。 每一次，即使是最小的违规行为都会导致无法准确阅读信息。
就经典计算机而言，类似的问题在过去也发挥了重要作用，但在今天却微不足道，甚至在学术科学中也常常被忽视。 我们正在谈论错误率。 它是一个指标，用于确定信息的比特或量子比特的比例可以被破坏。 例如，这可能发生在过压或其他干扰时。
对于经典设备，错误概率大约是一到 1017 少量就量子计算机而言，这仍然是几百个中的一个。 这是在量子计算机在最孤立的条件下和 -272 摄氏度的温度下工作的情况下，即略高于绝对零。 任何温度波动、电磁场变化，甚至运动都会破坏整个计算。
另一个问题是量子态的“不稳定性”。 每次我们测量或想要扰乱量子态时，它都会返回到两个位置之一，即零和一。 在这种情况下，量子态会衰减。 这个过程称为量子退相干。
可以这样想：量子计算机是一位熟练的数学家，进行复杂的计算，其结果在 0 到 1 万之间。 反过来，我们是一个孩子，只知道有些事情可能太多或太少。 每当数学家可能有不同的结果时，例如 356 或 670,23，根据我们对世界的理解，这些结果中的每一个都会被归类为少数（1）或许多（846），而无需定义两者之间的具体差异。 这就是量子退相干。 进行正确计算的唯一方法是在完成之前保证数学工作。
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我们将使用量子计算机做什么？
今天，问题是量子计算机可以用来做什么，就像 20 年前智能手机可以用来做什么一样。 当然，已经有一些计划和假设，但是当量子计算机普及时，使用量子比特最有趣的方向可能会变得清晰。
密码学是最常使用量子计算的热门领域之一。 问题是它将是一种以非常安全的方式传输信息的方法，安全性不是基于计算过程的复杂性，而是基于物理定律，这将使人们确信某些事情根本不可能发生。 此时此刻，将不可能进行监听、监视和黑客攻击。
在这种情况下，安全性由量子比特的物理特性保证，正如我之前解释的那样，一旦它们被观察到，它们就会停止显示叠加特征。 因此，任何拦截甚至复制编码消息的尝试都只会破坏它。
量子计算机还可以让我们更好地理解自然过程。 叠加的“混乱”更好地反映了 DNA 突变的方式，以及疾病和进化的发展。 如今，量子计算已被用于制造新药。
也许谈论使用量子计算机进行数据隐形传态是有意义的。 是的，正是数据的传送，可能还有一个人。 我们将能够在不进行物理传输的情况下将信息从一个地方传送到另一个地方。 这听起来像幻想，但它是可能的，因为量子粒子的这种流动性可以在时间和空间中纠缠在一起，这样一个粒子的变化就会影响另一个粒子，这就创造了一个隐形传态的通道。 这已经在实验室中得到证明，并且可能成为未来量子互联网的一部分。 我们还没有这样的网络，但一些科学家已经在研究这些可能性，在量子计算机上模拟量子网络。 他们已经开发并实施了有趣的新协议，例如网络用户之间的隐形传态和高效的数据传输，甚至安全投票。
还应该说，量子计算机应该用来模拟各种情况，找到解决问题的办法，包括药物和疫苗。 例如，在像冠状病毒这样的大流行期间，需要更快地计算和计算期权。 在这里您可以使用量子建模的可能性，这不能在经典计算机上执行。 当一种新疾病出现时，寻找治疗方法的过程大约需要 15 年，耗资高达 2,6 亿美元。 在某些疾病中，有必要过滤数百万个分子，以仅识别出数百个可能成为捐赠者的有前途的个体。 然后，在测试过程中，由于行为预测错误和采样限制等原因，大约 99% 的分子被丢弃。 这就是量子计算机脱颖而出的地方。
这些仍然只是使用量子物理学可以实现的绝妙想法中的一小部分。 目前，我们已经在一定程度上驯服了她反复无常的性格，但一切的发展都还处于初级阶段。 真正的量子计算机的诞生和大规模应用还有很长的路要走，但进展不会停滞不前。 因此，也许十年后你会在量子计算机的帮助下阅读这篇文章，并且会居高临下地微笑。
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