量子计算：意义、优势及更多

量子计算是将量子力学原理应用于计算的学科。这里用到的基本现象是纠缠和叠加。

虽然量子计算是一个相对较新的流行词，但量子力学的存在时间要长得多。 它负责电子行业的重大发展，还为人类的许多谜团提供了答案。

量子力学专注于原子和亚原子粒子如何工作，而量子这个词是指可以使用的最小粒子。 这是任何物理对象最基本的构建块。

从马克斯·普朗克到阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔和欧文·薛定谔，许多伟大的科学家都参与了量子力学的发展，并最终将其推向量子计算竞赛——我们这个时代最伟大的技术竞赛之一。

这篇文章带你进入量子现象的神奇世界，向你展示如何用它制造计算机，并探索它的相关领域。

远处的幽灵行动

量子现象违背了传统的理解，并以与经典物理学完全不同的术语工作。 因此，在 1930 年代，爱因斯坦使用“幽灵般的超距作用”一词来描述量子纠缠现象以及它如何不适合传统科学。

量子纠缠并不是什么新鲜事。 如果你在同一个地方和瞬间创建两个粒子，那么它们就会纠缠在一起。 这意味着无论一个人发生什么，都会影响另一个人。

这就像坠入爱河，每当你想到你的爱人时就会接到一个电话。 或者拨打电话并听到“我正要给你打电话”。 同卵双胞胎也会同时生病。

量子纠缠最令人毛骨悚然的部分是你可以把一个纠缠的粒子带到很远的地方。 无论你对其施加什么条件，都会立即影响第二个粒子，即使是在半个星系之外。

量子计算机利用这一特性一次存储多个粒子的大量信息。 这些粒子被称为量子比特或量子比特，但首先，看看第二种量子力学现象。

欧文·薛定谔和他的猫

另一位早期的量子研究人员是奥地利物理学家欧文·薛定谔，他和阿尔伯特·爱因斯坦一样，同样发现量子现象的某些部分是荒谬的。 于是，他提出了现在著名的思想实验，叫做“薛定谔的猫”，将量子叠加的悖论形象化。

这个实验表明，如果你把一只猫和可以杀死猫的东西放进一个盒子里并密封起来。 在你打开盒子之前，你不会知道这只猫是死是活。 所以，从逻辑上讲，在你打开盒子之前，这只猫既死又活。

叠加是使量子计算成为可能的第二种现象。 经典计算机处理在任何给定时间可以表示 1 或 0 的信息位，而量子计算机处理可以同时表示 0 和 1 的量子位（量子位），就像既死又死的猫一样。活。

这是对量子比特的仔细研究。

比特与量子比特

量子位使量子计算成为可能。 也称为量子位或 qbit，量子位是您可以操纵以保存和检索信息的最小能量单位。

在任何给定时间，常规计算机位只能是 0 或 1。 而一个量子位可以同时是两者。 因此，两个常规位可以在任何给定时间保存 00、01、10 和 11。 但是两个量子比特可以同时保持所有四种状态。 这意味着计算周期快 4 倍。

使用 3 个常规位，您可以在任何给定时间获得 000、001、010、011、100、101、110 和 111。 但是 3 个量子位将同时保持所有 8 个状态，从而为您提供 XNUMX 倍更快的计算周期。 如您所见，这种关系是指数级的，然后每增加一个位，可用信息量就会增加一倍。

所以，5个量子比特可以同时容纳32个量子态，10个量子比特可以容纳超过1,000个量子态，20个量子比特可以容纳超过100万个量子态。现在，想想IBM和谷歌正在开发的1,000量子比特量子计算机可以同时容纳多少个量子态。

你可以利用光子、电子、原子核、量子点、超导体以及其他材料来制造量子比特。目标是创建一个稳定的量子能量比特集合，你可以方便地随意设置和测量它们。

量子计算的优势

量子计算的主要优势是复杂问题的即时结果。 这主要是在您必须从许多可能性中选择正确答案的情况下。 这使得它们非常适合人工智能中的数字分解、大规模模拟和模式识别。

经典计算机的标准方法是调查每一种可能性，直到你找到你要找的东西。 通常被称为大海捞针，此操作将花费的时间取决于您必须筛选多少干草或记录。 以及你的机器有多快。

超级计算机通过提高检查每种可能性的速度使此类问题变得更容易。 另一方面，如果有足够的量子比特可用，量子计算机可以同时产生所有可能性。 这就是为什么他们可以在几个小时内计算出普通计算机需要数百到数千年才能计算出来的问题。

量子计算问题和限制

虽然您可以在经典计算机中轻松测量比特，但测量量子比特会破坏其状态及其纠缠量子比特的状态。

此外，经典位由多种半导体材料制成，只需保持电荷 (1) 或不保持电荷 (0)。 然而，量子位要复杂得多，也难以实现。 除了在空间上隔离量子位之外，您还需要保护它免受环境干扰，例如温度和静电波动。 因为如此小的环境变化也会破坏这些状态。

这种纠缠或系统平衡的损失称为量子退相干，是大多数研究人员试图解决的主要问题。 它是如此严重，以至于谷歌即将推出的 1,000 量子位机器将需要多达 1,000 个量子位来对每个量子位进行纠错。 从而使其成为一个 1 万个量子比特的机器。

这也意味着您目前无法像处理笔记本电脑或智能手机一样处理量子计算机。 计算机需要实验室条件来维持其量子比特的安全稳定水平。

另一个缺点是所谓的量子霸权范围有限，因为并非每个计算问题都涉及大量数字或可能性。 因此，大多数其他操作中的计算提升太微不足道，不足以证明量子计算方法的合理性。 除非量子计算机最终比经典计算机便宜，否则它们也不会很快取代它们。

尽管存在所有这些缺点，但量子计算机及其量子比特在计算机行业具有很大的潜力，因为它们可以轻松处理大量数据。

量子计算有危险吗？

是的。 每个优秀的黑客都知道每项技术都有漏洞。 你只需要找到它。 因此，无论未来量子计算机的实际实现如何，该技术仍然存在问题。 演员们准备好利用它们。

此场景涉及银行、金融、政府和类似的公共活动等用途。 第二种情况是恶意行为者利用优质量子计算机的惊人功能来完成一项壮举。 和往常一样，人们只有在行动完成后才会意识到这种可能性。

量子计算在数字方面做得很好。 因此，使用分解的非对称加密算法，例如公钥 RSA 是不安全的。 另一方面，散列和对称加密，例如 AES-256 和 512，以及 SHA-256 和 512，是相对安全的。

量子力学的其他应用

尽管量子计算的世界令人兴奋，但它仍然只是量子力学的一部分。 所以，换句话说，量子派对才刚刚开始。

量子力学在半导体和现代电子技术的发展中发挥了至关重要的作用。量子网络和量子密码学领域的研究也在进行中，例如总部位于瑞士的量子密码学先驱ID Quantique公司。此外，量子现象在众多研究领域也展现出巨大的潜力，包括光合作用、嗅觉受体，甚至我们对时间的理解。

真实世界的量子计算机

那里有许多量子计算机和类似的应用程序。 他们来自像谷歌和 IBM 这样的大型跨国公司，以及政府，甚至像 Rigetti 这样的小公司。

量子计算目前是地球上最热门的研究领域之一。 所以那里可能有比你想象的更多的秘密程序。 以下是一些主要项目：

• 谷歌拥有 54-qubit 和 72-qubit 机器
• IBM 拥有遍布全球的 30 多台机器，包括 65 量子比特的曼哈顿
• 中国拥有许多量子计算机，包括一台 76 量子比特的机器，甚至还有量子卫星通信。
• 谷歌的 54 量子比特 Sycamore 驱动的机器只用了 200 秒来计算超级计算机需要 10,000 年才能计算的内容。
• IBM 计划到 1,000 年开发出 2023 量子比特的机器
• Rigetti Computing 拥有四台机器，包括一台 31 量子比特的机器
• 谷歌正在建设一个新的量子中心，以在 1,000 年之前创建一台 2029 量子比特的计算机。考虑到纠错因素，该计算机的总量子比特可能达到 1 万。

结语

量子计算机将继续存在。 因为它们将创造许多机会并解决传统计算机几十年来一直在努力解决的现实问题。

然而，在我们到达那里之前，还有很多工作要做，还有很多挑战需要克服。 在那之前，中国可能会让世界大吃一惊。