量子計算入門指南：它是如何工作的,？現(xiàn)在怎樣了,？

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谷歌宣稱已經(jīng)實現(xiàn)“量子霸權”，IBM微軟也在開發(fā)量子計算機,，可以說量子計算已經(jīng)成為當下炙手可熱的前沿技術,！到底什么是量子計算，介紹與說明很多,，今天這篇文章只有2000字,，但它簡要介紹了量子計算機，想科普一下的同學可以讀讀,。本文編譯自medium原題為“Quantum Computing:An Introduction for Programmers”的文章,。

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解決復雜問題時，量子計算機并不比人強多少,。量子計算機將復雜任務分解成許多簡單任務,，與人類相比，計算機處理簡單任務時快很多,，這就是計算機的優(yōu)勢所在,。但經(jīng)典計算機存在限制：任務必須按順序出現(xiàn)。正因如此,，如果任務太復雜,，或者數(shù)據(jù)庫太大，想找到解決方案就會耗費很長時間,。許多時候問題太龐大,，從數(shù)學層面看，即使是最強大的超級電腦也沒有辦法突破序列任務設定的障礙,，但量子計算機可以,，因為它有一些有趣的特征：疊加、糾纏和干涉。

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如何工作的

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為了解釋這種現(xiàn)象,，我們回退一步,。當計算機將復雜任務分解成簡單小任務時，最簡單的任務是什么,？就是在兩個選項之間選擇,，比如在A或者B、真或者假,、頭或者尾之間選擇,，這些都是二元問題。在計算機中,，二進制代碼（用1或者0代表）可以轉化為計算機電路開關中的“開或者關”,。雖然二進制解決方案（信息比特）能以驚人的速度交流信息，但讀取時必須一個接一個讀取,。量子計算機的效率高很多,。與比特等價的是量子比特，從本質上講它相當于一個可以承載可測量信息的粒子,。

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比特必須以一種二元狀態(tài)或者另一種狀態(tài)存在,，但量子比特可以以量子態(tài)（疊加）存在,，它可以在同一時間以兩種狀態(tài)存在,。量子力學從很大程度上說就是概率游戲，量子比特變成狀態(tài)A或者B的概率可能是50/50,，也可能是70/30,、10/90或者其它比例。你可以這樣想像：量子比特的位置位于AB之間,，或者位于球面的某個位置,，球的一端是A狀態(tài)，另一端是B狀態(tài),。不論怎樣,，因為量子有疊加特點，所以它可以同時在多個位置出現(xiàn),。為了找到問題的解決方案,，量子比特一次可以沿多條路徑前進，但比特一次只能選一條,。

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迪杰斯特拉算法(Dijkstra)可以幫我們找到抵達目的地效率最高的路徑,，量子比特沒有必要一條一條路探索（經(jīng)典計算機正是這樣做的），它可以同時分析多條路徑,，以更快的速度找到最棒的路徑,。當問題越復雜，輸入信息越龐大,，經(jīng)典計算機尋找路徑的時間就會越長,。量子計算不一樣,，它的效率高很多。

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想挖掘量子疊加的優(yōu)勢,，時間很關鍵,，因為量子比特與測量設備接觸時疊加特性會受到影響。我們管這種物理法則叫作“觀測者效應”,。粒子雖然會同時表現(xiàn)出粒子和波的特點,，但是當我們觀測時只能記錄其中一種。到底記錄到其中的哪一種取決于觀測,。所以說,，當我們想探知量子比特攜帶怎樣的信息時，就會面臨這樣的障礙,。

我們可以利用量子力學的第二個特點來克服 “觀測者效應”,，這個特點就是“糾纏”（entanglement）。物理家已經(jīng)證實“糾纏”的存在,，也就是兩個粒子不管相隔多遠,，都能聯(lián)系在一起。現(xiàn)在我們可以操縱幾十個量子比特,，讓它們變成單一的糾纏狀態(tài),，這樣我們就能建立一個網(wǎng)絡，它有2的n次方種可能性（n就是網(wǎng)絡中量子比特的數(shù)量）,，它們可以協(xié)同工作,。

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如果量子比特攜帶相同的信息，如何處理,？那就要談談量子干涉了,，粒子具有波的特點，干涉是波的特征之一,。當波峰與波峰相遇,，波谷與波谷相遇，彼此互補,，效果就會放大,，這就是相長干涉。如果波峰與波谷相遇,，就會抵消,，這就是相消干涉。當超過一個量子比特處于相長干涉狀態(tài),，它們的效果就會放大,，這樣就可以傳輸信息了。

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現(xiàn)在已經(jīng)走到了哪一步

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要想讓量子網(wǎng)絡真正發(fā)揮潛能，還有一些障礙要跨越,。雖然與經(jīng)典計算機相比量子計算機解決問題的速度更快（也就是所謂的量子優(yōu)勢）,，但是即使是當今最大、最穩(wěn)定的量子系統(tǒng),，在商業(yè)上還是沒有實用價值,。

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實際上，往糾纏系統(tǒng)中添加量子比特是一件非常難的事,，因為網(wǎng)絡非常脆弱,。1998年，IBM,、牛津,、加州伯克利大學、斯坦福,、MIT成功將一對量子比特組合,。20年后，谷歌刷新紀錄,，將量子比特數(shù)量增加到72個,。

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雖然糾纏能從一定程度上解決“觀察者效應”這一問題，但是量子狀態(tài)還是容易被破壞,，而且量子特征的持續(xù)時間也很有限,。量子系統(tǒng)必須在退出疊加狀態(tài)、進入退相干狀態(tài)之前找到解決方案,，否則就會失敗,。

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外部因素也會導致量子比特退出疊加狀態(tài),，雖然我們可以增加量子比特的數(shù)量,，但是量子比特越多，越容易受到外部因素的影響�,，F(xiàn)在行業(yè)一般會用激光器,、磁場、超導體創(chuàng)建一個環(huán)境,，延長量子狀態(tài)的壽命（壽命一般用毫秒來計算）,，這樣能降低“出錯率”。

當出錯率下降,，觀測系統(tǒng)也許能取得突破,，我們可以根據(jù)觀測開發(fā)更棒的量子算法。一些行業(yè)玩家已經(jīng)允許客戶通過云進入量子計算網(wǎng)絡,，這樣就能讓研發(fā)變得更容易,。

一旦我們可以建立足夠龐大、足夠穩(wěn)定的量子比特網(wǎng)各，一旦出錯率降得足夠低,，量子計算機解決經(jīng)典問題時速度會更快,，不只如此，它還可以解決經(jīng)典計算機解決不了的問題,。

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到了這一階段就能實現(xiàn)“量子霸權”,。也有人認為“量子霸權”不可能實現(xiàn)，因為受到了物理原則和理論的限制,，量子計算不可能走到這一步,。

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有何可能性？

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一旦“量子霸權”真正實現(xiàn),，量子計算可以在許多科研領域派上用場,，用來解決復雜問題。在復雜而龐大的數(shù)據(jù)庫上查詢時,，它的處理速度更快,；到時機器學習將會突飛猛進；我們可以模擬更加復雜的分子結構,，了解它們的行為,，這樣就可以在醫(yī)學領域取得更多突破。

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有了強大的模擬能力,，對工業(yè)和科技產業(yè)也是好事,。不過量子計算機無法取代經(jīng)典計算機，它要與現(xiàn)代機器結合起來用,。有了量子計算機,，一些領域將會迎來變革。

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當AI,、機器學習與量子計算結合,，也許會有很大的突破。網(wǎng)絡安全行業(yè)也會擁抱量子技術,，因為即使是今天最棒的經(jīng)典加密技術,，在量子系統(tǒng)面前也不堪一擊。

神譯局  譯者：小兵手

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