关于量子计算机，你需要知道的5件事

光子盒研究院出品

任何关于量子计算的讨论听起来都像是科幻小说中的一次飞跃。虽然量子计算机背后隐藏着许多复杂原理，但是以下5个事实，你应该知道。

量子计算机的工作依赖“量子比特”，相当于现代经典计算机中的比特。当我们谈论量子计算机的量子比特数量时，我们更关心逻辑量子比特数量，而不是物理量子比特数量。事实上，由于当前量子比特的错误率很高，需要大量的物理量子比特才能创建一个“功能”逻辑量子比特。

更清楚地说，想象一个旧机器人，你可以问它一个问题。当你问它你的问题时，它只会回复10次中的7次，并且经常崩溃。因此，必须要多次问他同样的问题才能最终确定答案。另一个选择是让几千个旧机器人任你使用，你可以问同样的问题。然后取答案的平均值，选择机器人最常给出的答案就足够了。这就是量子比特的大致情况。

在设计量子算法时，研究人员想象出完美稳定的量子比特，它能完全满足他们的期望。所以你需要很多物理量子比特来得到一些逻辑量子比特。例如，研究人员在2019年估计，要解决RSA算法需要2000万个噪声物理量子比特，或6189个逻辑量子比特，而RSA算法在很大程度上负责互联网的安全[1]。

显然，物理量子比特的数量翻倍不足以增加量子计算机的威力。量子比特的倍增产生了大量的问题，例如很难将它们全部冷却，或者将它们全部隔离……

当我们谈论量子计算机的能力时，我们通常只谈论它们有多少量子比特，或者完成一项特定任务需要多少量子比特。然而，在计算中，对于经典计算机，一台64比特计算机可能不如另一台64比特计算机好。量子计算机也是如此。

在一台典型的计算机中，处理器处理这些比特的能力的重要性超过了比特数量。高性能处理器可以比设计不太好的处理器以更快的速度处理和执行更多的操作。

类似地，一个10量子比特的量子计算机并不等于另一个具有相同量子比特数量的量子计算机。同样，一台质量很差的4000量子比特计算机，它实际上并不比一台只有50量子比特的计算机好多少，因为50量子比特计算机的质量很好。

最后，还需要考虑所有这些量子比特之间的通信，以及错误率或可以并行执行的操作数量。简而言之，量子计算机不仅仅是关于量子比特。

为了工作，我们的现代计算机使用晶体管，并且是很多晶体管。现代计算机通常包含数十亿个晶体管。为使用电力的计算机存储“0”和“1”的小型开关。服务器和超级计算机使用大量的晶体管和电力，这导致了许多环境问题。根据研究人员的说法[2]，由于量子处理器的设计，它可以将能耗显著降低100到1000倍。

“由于(量子计算机)进行计算所花费的时间要少得多，因此也将更加节能。”研究如何减少云计算影响的IBM研究员Tamar Elam表示。如果说量子计算机在今天受到限制，比如需要将量子计算机冷却到极端温度，那么当前的研究表明，量子计算机的总功耗仍然低于今天使用的计算机。

橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家也认为[3]量子计算机将比今天的超级计算机消耗更少的能源。ORNL的Travis Humble说：“今天拥有数千个处理器的高性能计算机需要大量的能源来执行复杂的科学计算。除了前所未有的解决重大问题的能力外，我们还发现量子计算机有潜力减少超过100万千瓦时的能耗。”

这看似显而易见，但需要注意的是，量子计算机与经典计算机有着根本的不同。虽然量子计算机可以运行传统算法，但效率不如传统计算机。只有当你得到专门的量子算法来解决它时，它才会脱颖而出。作为一个理论概念，量子算法是一个研究了二十多年的课题。

除了量子算法，如Shor和Grover算法，现在还有许多编程语言专门对量子计算机进行编程。它们每一种都有自己的特点。例如，2020年，苏黎世联邦理工学院开发了高级编程语言“Silq”[4]，以促进量子计算机的学习。

为了便于学习，像IBM这样的公司提供了量子计算机的云访问。研究人员可以使用量子计算机来训练自己的量子编程。

量子计算机有不同的量子编程语言，同时也有不同的技术来实现量子比特和与之相关的计算机的创建，它们对每个量子比特都有着极为不同的能力和要求。

“你必须明白决斗中有很多不同的技巧。”《理解量子计算》[5]一书的作者Olivier Ezrate解释道。“至少有六种相互不相关的竞争技术。这与计算机处理器和智能手机处理器之间的区别不同。计算机和智能手机的处理器在某种程度上是相同的技术。另一方面，量子计算的不同分支之间的差异是巨大的。”

使用的材料和技术差别很大。例如，我们发现了由超导体、半导体、纠缠光子、硅同位素、马约拉纳费米子以及离子阱构成的量子计算机。最近，研究人员提议使用碳纳米管来实现量子比特[6]。目前研究正在如火如荼地进行，以确定最佳模型。

“优势在于它创造了多样性。这有点达尔文主义。”Olivier Ezrate总结道。“它们各自有着非常不同的特点。我们事先不知道哪一个会起作用或不起作用。”

参考链接：

[1]https://arxiv.org/abs/1905.09749

[2]https://arxiv.org/abs/1609.02732

[3]https://www.ornl.gov/news/energy-quantum-computing-efficiency

[4]https://silq.ethz.ch/

[5]https://www.oezratty.net/wordpress/2020/comprendre-informatique-quantique-edition-2020/

[6]https://arxiv.org/abs/2008.10524

[7]https://technewsinc.com/5-things-you-didnt-know-about-quantum-computers/

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：