量子計算：意義、優勢及更多

量子計算是量子力學原理在執行計算中的應用。 這裡使用的基本現像是糾纏和疊加。

雖然量子計算是一個相對較新的流行詞，但量子力學的存在時間要長得多。 它負責電子行業的重大發展，還為人類的許多謎團提供了答案。

量子力學專注於原子和亞原子粒子如何工作，而量子這個詞是指可以使用的最小粒子。 這是任何物理對象最基本的構建塊。

從馬克斯·普朗克到阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾和歐文·薛定諤，許多偉大的科學家都參與了量子力學的發展，並最終將其推向了量子計算競賽——我們這個時代最偉大的技術競賽之一。

這篇文章帶你進入量子現象的神奇世界，向你展示如何用它製造計算機，並探索它的相關領域。

遠處的幽靈行動

量子現象違背了傳統的理解，並以與經典物理學完全不同的術語工作。 因此，在 1930 年代，愛因斯坦使用“幽靈般的超距作用”一詞來描述量子糾纏現像以及它如何不適合傳統科學。

量子糾纏並不是什麼新鮮事。 如果你在同一個地方和瞬間創建兩個粒子，那麼它們就會糾纏在一起。 這意味著無論一個人發生什麼，都會影響另一個人。

這就像墜入愛河，每當你想到你的愛人時就會接到一個電話。 或者撥打電話並聽到“我正要給你打電話”。 同卵雙胞胎也會同時生病。

量子糾纏最令人毛骨悚然的部分是你可以把一個糾纏的粒子帶到很遠的地方。 無論你對其施加什麼條件，都會立即影響第二個粒子，即使是在半個星系之外。

量子計算機利用這一特性一次存儲多個粒子的大量信息。 這些粒子被稱為量子比特或量子比特，但首先，看看第二種量子力學現象。

歐文·薛定諤和他的貓

另一位早期的量子研究人員是奧地利物理學家歐文·薛定諤，他和阿爾伯特·愛因斯坦一樣，同樣發現量子現象的某些部分是荒謬的。 於是，他提出了現在著名的思想實驗，叫做“薛定諤的貓”，將量子疊加的悖論形象化。

這個實驗表明，如果你把一隻貓和可以殺死貓的東西放進一個盒子裡並密封起來。 在你打開盒子之前，你不會知道這隻貓是死是活。 所以，從邏輯上講，在你打開盒子之前，這隻貓既死又活。

疊加是使量子計算成為可能的第二種現象。 經典計算機處理在任何給定時間可以表示 1 或 0 的信息位，而量子計算機處理可以同時表示 0 和 1 的量子位（量子位），就像既死又死的貓一樣。活。

這是對量子比特的仔細研究。

比特與量子比特

量子位使量子計算成為可能。 也稱為量子位或 qbit，量子位是您可以操縱以保存和檢索信息的最小能量單位。

在任何給定時間，常規計算機位只能是 0 或 1。 而一個量子位可以同時是兩者。 因此，兩個常規位可以在任何給定時間保存 00、01、10 和 11。 但是兩個量子比特可以同時保持所有四種狀態。 這意味著計算週期快 4 倍。

使用 3 個常規位，您可以在任何給定時間獲得 000、001、010、011、100、101、110 和 111。 但是 3 個量子位將同時保持所有 8 個狀態，從而為您提供 8 倍更快的計算週期。 如您所見，這種關係是指數級的，然後每增加一個位，可用信息量就會增加一倍。

因此，如果有 5 個量子位，您會同時查看 32 個狀態，如果有 10 個量子位，則有超過 1,000 個狀態，如果有 20 個量子位，則有超過一百萬個狀態。 現在，考慮一下 IBM 和谷歌正在開發的 1000 量子比特量子計算機可以同時保持多少個狀態。

您可以從光子、電子、原子核、量子點、超導體和其他實現中製造量子比特。 目標是創建一個穩定的量子位能量集合，您可以方便地隨意設置和測量。

量子計算的優勢

量子計算的主要優勢是複雜問題的即時結果。 這主要是在您必須從許多可能性中選擇正確答案的情況下。 這使得它們非常適合人工智能中的數字分解、大規模模擬和模式識別。

經典計算機的標準方法是調查每一種可能性，直到你找到你要找的東西。 通常稱為大海撈針中的針，此操作將花費的時間取決於您必須篩選多少干草或記錄。 以及你的機器有多快。

超級計算機通過提高檢查每種可能性的速度使此類問題變得更容易。 另一方面，如果有足夠的量子比特可用，量子計算機可以同時產生所有可能性。 這就是為什麼他們可以在幾個小時內計算出普通計算機需要數百到數千年才能計算出來的問題。

量子計算問題和限制

雖然您可以在經典計算機中輕鬆測量比特，但測量量子比特會破壞其狀態及其糾纏量子比特的狀態。

此外，經典位由多種半導體材料製成，只需保持電荷 (1) 或不保持電荷 (0)。 然而，量子位要復雜得多，也難以實現。 除了在空間上隔離量子位之外，您還需要保護它免受環境干擾，例如溫度和靜電波動。 因為如此小的環境變化也會破壞這些狀態。

這種糾纏或系統平衡的損失稱為量子退相干，是大多數研究人員試圖解決的主要問題。 它是如此嚴重，以至於谷歌即將推出的 1,000 量子位機器將需要多達 1,000 個量子位來對每個量子位進行糾錯。 從而使其成為一個 100 萬個量子比特的機器。

這也意味著您目前無法像處理筆記本電腦或智能手機一樣處理量子計算機。 計算機需要實驗室條件來維持其量子比特的安全穩定水平。

另一個缺點是所謂的量子霸權範圍有限，因為並非每個計算問題都涉及大量數字或可能性。 因此，大多數其他操作中的計算提升太微不足道，不足以證明量子計算方法的合理性。 除非量子計算機最終比經典計算機便宜，否則它們也不會很快取代它們。

儘管存在所有這些缺點，但量子計算機及其量子比特在計算機行業具有很大的潛力，因為它們可以輕鬆處理大量數據。

量子計算有危險嗎？

是的。 每個優秀的黑客都知道每項技術都有漏洞。 你只需要找到它。 因此，無論未來量子計算機的實際實現如何，該技術仍然存在問題。 演員們準備好利用它們。

此場景涉及銀行、金融、政府和類似的公共活動等用途。 第二種情況是惡意行為者利用優質量子計算機的驚人功能來完成一項壯舉。 和往常一樣，人們只有在行動完成後才會意識到這種可能性。

量子計算在數字方面做得很好。 因此，使用分解的非對稱加密算法，例如公鑰 RSA 是不安全的。 另一方面，散列和對稱加密，例如 AES-256 和 512，以及 SHA-256 和 512，是相對安全的。

量子力學的其他應用

儘管量子計算的世界令人興奮，但它仍然只是量子力學的一部分。 所以，換句話說，量子派對才剛剛開始。

量子力學在半導體和現代電子學的發展中發揮了重要作用。 量子網絡和密碼學的工作也在進行中，例如瑞士的量子密碼學先驅 ID Quantique。 此外，量子現像在光合作用、嗅覺感受器，甚至我們對時間的理解等眾多研究領域也顯示出了希望。

真實世界的量子計算機

那裡有許多量子計算機和類似的應用程序。 他們來自像谷歌和 IBM 這樣的大型跨國公司，以及政府，甚至像 Rigetti 這樣的小公司。

量子計算目前是地球上最熱門的研究領域之一。 所以那裡可能有比你想像的更多的秘密程序。 以下是一些主要項目：

• 谷歌擁有 54-qubit 和 72-qubit 機器
• IBM 擁有遍布全球的 30 多台機器，包括 65 量子比特的曼哈頓
• 中國擁有許多量子計算機，包括一台 76 量子比特的機器，甚至還有量子衛星通信。
• 谷歌的 54 量子比特 Sycamore 驅動的機器只用了 200 秒來計算超級計算機需要 10,000 年才能計算的內容。
• IBM 計劃到 2023 年開發出 1,000 量子比特的機器
• Rigetti Computing 擁有四台機器，包括一台 31 量子比特的機器
• 谷歌正在建設一個新的量子中心，以在 2029 年之前創建一台 1000 量子比特的計算機。考慮到糾錯因素，該計算機的總量子比特可能達到 100 萬。

結論

量子計算機將繼續存在。 因為它們將創造許多機會並解決傳統計算機幾十年來一直在努力解決的現實問題。

然而，在我們到達那里之前，還有很多工作要做，還有很多挑戰需要克服。 在那之前，中國可能會讓世界大吃一驚。