量子计算：概述

量子计算是指利用量子力学进行运算的方法。在物理学中，量子是任何物理属性的最小不可分割单位，通常指电子、中微子和光子等原子或亚原子粒子的特性。

量子计算运用了量子物理的独特性质，如叠加、纠缠和量子干涉，为传统编程技术引入了全新的理念。

为什么需要量子计算机

对于某些问题，超级计算机的能力并不足够强大。

科学家和工程师在面对复杂难题时会使用超级计算机。这些大型经典计算机通常配备数千个GPU和CPU核心。然而，某些类型的问题即使对超级计算机而言也难以解决。

超级计算机遇到困难时，往往是因为这台大型经典机器面对的是一个复杂问题。传统计算机的失败通常归因于问题本身的复杂性。

复杂问题是指多个变量以复杂方式相互作用的问题。由于分子内部各原子之间存在大量电子交互，精确模拟其行为极具挑战性。在庞大的运输网络中，为数百辆油轮规划最优路径同样困难重重。

量子计算的工作原理

与超级计算机不同，量子计算机是功耗更低、效率更高的系统。大多数量子计算系统的冷却装置体积相当于一辆汽车，用于将超导微处理器维持在极低的工作温度。

传统处理器使用比特执行运算，量子计算机则使用量子比特（qubit）来执行多变量量子算法。

超流体

桌面计算机通常使用风扇散热。而量子处理器需要维持在接近绝对零度的极低温度——仅比绝对零度高百分之一度。为此，我们使用超低温超流体来制造超导体。

超导体

在极低温度下，处理器中的某些组件会展现出另一种关键的量子力学特性：电子可以无阻碍地通过它们。这些组件因此被称为“超导体”。电子在超导体中运动时会形成库珀对。这些电子对能够通过量子隧穿效应穿过绝缘体或势垒携带电荷。当两个超导体分别置于绝缘体两侧时，就形成了约瑟夫森结。

控制

约瑟夫森结在量子系统中充当超导量子比特。通过向其发射微波光子，我们可以控制这些量子比特的行为，使其能够存储、修改和读取离散的量子信息。

叠加

单个量子比特本身并无太大用处。但它具备一项关键能力：将所含的量子数据置于叠加态，同时呈现所有可能可行的量子比特配置组合。量子比特组的叠加可以产生复杂的多维计算空间。在这些环境中，复杂问题能够以全新的方式被表达。

纠缠

纠缠是一种量子力学现象，它使两个独立实体的行为产生关联。当两个量子比特处于纠缠态时，对其中一个的改变会影响另一个。量子算法利用这些关联来解决复杂问题。

量子计算机的优势

虽然量子计算机并非在所有任务上都比经典计算机更快，但在以下几个领域可能产生深远影响。

原子模拟

由于量子计算机将量子现象融入运算过程，因此在模拟其他量子系统方面尤为出色。这意味着它们能够处理传统计算机难以应对的系统复杂性和不确定性。我们可以模拟多种量子系统，如光合作用、超导性和复杂分子结构。

密码学

传统密码学依赖于整数分解或离散对数等问题的难解性。例如广泛用于保护数据传输的RSA算法。量子计算机有潜力更高效地解决其中若干问题。

优化

优化是指在给定约束条件和预期结果下寻找问题的最优解。商业和科学中的关键决策基于成本、性能和生产周期等变量，这些均可被优化。借助经典计算机运行量子启发式优化算法，我们能够解决此前难以处理的问题，从而开发更高效的方法来管理复杂系统，如交通流量模式、飞机舱门分配、包裹配送和能源存储。

量子机器学习

传统计算机上的机器学习正在推动科学和工业的变革。然而，构建机器学习模型所需的高昂计算成本一直制约着该领域的发展范围和进步速度。我们正在探索如何开发和使用量子软件来加速机器学习，以更快地推进这一领域。

搜索

与传统算法不同，1996年问世的量子算法显著提升了非结构化数据搜索的求解速度。