量子力学原理（什么是量子计算？）

不完全是。在事件的时间尺度上，我们可能还处于量子计算机的真空管时代。系统研究人员称之为“嘈杂的中尺度量子”(NISQ，发音像“RISC”和“CISC”)的时代。在这个时代，量子处理器对于一些问题开始展现出计算优势的前景，但是在非常嘈杂的情况下运行很容易出错。为了实现经典计算机所享有的广泛采用，需要在整个堆栈中开发和实现更多的创新和技术，类似于经典计算的发展。

与此同时，量子计算机很可能不会取代经典机器，而是与经典计算机一起加快一些应用的速度。这类似于今天GPU常用来加速图形和像素操作的方式。由于这个原因，量子计算硬件通常被称为QPU或量子处理单元，并将由主机处理器(如CPU)控制。事实上，量子算法通常涉及经典的前处理或后处理，并且需要以这样一种方式构造，即它们可以作为经典系统的协处理器运行。

正如科学家和实践者共同努力带领我们进入当前的信息时代一样，他们必须为量子计算机再次这样做。然而，这一次的挑战不是利用和驯服电子的经典性质，而是控制我们宇宙的量子性质，并将其用于计算。

这次量子之旅将带我们回到20世纪初，回到阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间关于我们所生活的物理世界本质的意识形态分歧。

用2分钟解释量子计算......

现代计算机只用两种状态:开和关(1和0)。我们已经用这些函数进行了大规模的逻辑运算，现代处理器每秒可以进行数十亿次这样的运算。

量子计算改变了范式，根据量子力学原理工作，其中状态不再是二进制，可以同时是1和0。量子计算的研究还处于非常早期的阶段，我们今天能做出的计算不稳定，容易出错。我相信，在未来几年、几十年，量子计算能力将远远超过我们用“经典”计算机所能做到的，尤其是解决当今处理器的一些非常具有挑战性的计算问题。

但是，当然，几乎没有什么基础知识。继续阅读，我们将解释这个有趣的话题。

理解量子计算机的“量子”

在深入研究量子计算机的工作原理之前，有必要简单介绍一下粒子的量子性质。量子特性与经典特性完全不同，正是这些特性为量子计算机提供了“强大”的计算能力。我们不是推导出控制量子计算机的公式，而是试图在这里抓住量子性质的概念性理解，这有助于推广量子计算机。

历史

1927年，苏威会议在比利时布鲁塞尔召开。当时，最伟大的物理学家聚集在一起讨论新形成的量子理论的基础。29名参与者中有17人是或成为了诺贝尔奖获得者。这场历史性会议的核心是两种相互冲突的观点:新成立的量子理论倡导者尼尔斯·玻尔(niels bohr)和致力于揭穿量子理论“完全错误”的阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)。

1927年索尔维量子力学会议。Benjamin Couprie的照片

在为期一周的会议中，爱因斯坦将在玻尔中提出挑战和思想实验，内容是寻找量子理论中的缺陷。每天，玻尔和他的同事们都会研究每一个挑战，并在第二天早上的早餐时反驳爱因斯坦。玻尔甚至用爱因斯坦的相对论反对过他一次。在会议结束时，人们认为玻尔赢得了争论，并对爱因斯坦的每一次挑战提供了反驳。

然而，爱因斯坦仍然不相信。尽管玻尔做出了回应，但爱因斯坦现在认为量子理论中肯定缺少了什么。1933年，爱因斯坦定居在新泽西州的普林斯顿，并招募了内森·罗桑和鲍里斯·波德斯基来寻找量子力学中的潜在缺陷。他们一起工作，发现了量子物理数学中的一个悖论！爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬(或EPR佯谬)发现了粒子之间看似不可能的联系。具体来说，他们发现两个相距很远的粒子在现实世界中可以表现出相关和匹配的行为。

举个例子，假设两个粒子藏在相隔一定距离(比如一米)的单独的杯子下面。根据数学，揭开并观察一个杯子下的一个粒子，会神秘地揭示第二个杯子下另一个具有匹配特征的粒子。爱因斯坦有句名言:“幽灵般的长距离行动”。其实EPR佯谬论文是爱因斯坦被引用最多的作品，后来很多物理学家和实验学家都试图解决和解释这个佯谬。有没有实验证明爱因斯坦或者玻尔是对的？

尽管在量子力学的美丽方程式中有这个(虽然很大)皱纹，量子理论仍然起飞。上世纪40年代的曼哈顿计划，激光的发现，甚至晶体管(经典计算机的组成部分)的研制，都是基于量子理论的正确“推测”。直到20世纪60年代才真正解决了量子纠缠问题。

量子纠缠

虽然基于量子力学的科学发现不断涌现，但EPR佯谬带来的理论挑战困扰了许多物理学家几十年。众所周知，一想到量子就让人被物理系开除！然而，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔对EPR佯谬感到非常困惑。他决定在业余时间修复它，同时把在日内瓦欧洲粒子物理研究所做粒子物理学家作为自己的“日常工作”。

1964年，贝尔发表了一篇题为《论爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬》的论文，在这篇论文中，他能够证明爱因斯坦和玻尔的方程做出了不同的预言！事后看来，这是物理学史上一篇非常具有革命性的论文。然而，正如历史所料，它被发表在一个鲜为人知的科学杂志上(几年后它最终甚至会被折叠)只是为了收集书架上的灰尘。

直到1972年它意外地落在约翰·克劳瑟的桌子上。克罗泽非常喜欢这篇论文，但他想，“支持这一点的实验证据在哪里？”他决定进行一项实验来检验它。

约翰·克劳瑟在20世纪70年代

与加州大学伯克利分校的斯图尔特·弗里德曼(Stuart Friedman)合作，并使用最近发现的激光，设置很简单:将激光照射在钙原子源上，它将发射一对应该纠缠的光子(根据量子理论)。他们使用过滤器后面的探测器来测量光子，并检查光子通过过滤器时是否相关。出乎很多人意料的是，与玻尔的预测一致，说明光子之间的“鬼”联系确实与实验结果相符。

然而，并不是每个人都完全相信这个实验。有些人认为，过滤器可能不是真正随机的，可能会影响实验过程中的测量。然而，在2017年，进行了一次全面的宇宙时钟测试。这一次，维也纳大学的物理学家设计了一个类似于1974年版本的实验，但使用了80亿年前两个类星体的光来控制两台望远镜上的滤光器。结果显示了类似的结果:远处的粒子实际上是纠缠在一起的。

这是量子计算机工作原理背后的一个基本概念。现代计算机的基本组成部分是“比特”，当它们串在一起时，可以对信息进行编码并执行计算。另一方面，量子位(或量子位)实际上是相互纠缠的。操纵一个量子位实际上可能会影响系统中的另一个量子位。就可以存储和操纵的信息量而言，这种纠缠行为可能非常具有表现力。但是，可以想象，为了实现量子计算机，还有更多的量子物理学需要解决。

量子叠加

量子纠缠只是方程的一部分，这使得量子计算机与经典计算机有着本质的区别。另一个重要的概念是量子叠加。这个原理说的是一个量子粒子可以同时存在多个叠加态，直到被测量。

我们先来解决陈述的第二部分，关于量子粒子的测量。这一性质通常更多地与奥地利物理学家埃尔温·薛定谔和他关于盒子里的猫的理论思维实验有关。简单来说，薛定谔说，如果你把一只猫和一种能杀死猫的东西(一种放射性原子)放在一个盒子里并密封起来，直到你打开盒子你才知道猫是死是活，所以猫(某种意义上)在盒子打开之前既是“死的也是活的”。

广义来说，猫死的概率不可忽略，盒子关闭时猫活着的概率也不可忽略。只有当你打开盒子的时候，你才能确定猫是真的死了还是活了，但此时，“系统”就被测量破坏了。

举个更技术性的例子:单个经典位只能是两个可能值中的一个:0或1。量子位可以同时是0部分和1部分，更正式的说法是两者的叠加值。因此，在测量之前，一个量子位可以是，例如，25% 0和75% 1。但是，一旦测量，观察值将是0或1(不是两者都是)。从概率上来说，如果你要对这个量子位进行数十万次测量，你会期望25%的测量结果为0，其余的75%为1。虽然没有测量，但确实处于0和1的叠加状态。

正如一位聪明的YouTube评论者所说.....“其实叠加是很正常的现象。我的低音炮既是音箱，也是我的床头柜。”

粒子的这种量子特性再一次从根本上令人难以置信，我们经典的计算思维模式。但是，从数学的角度来看，它实际上运行良好。如果我们把经典计算看成是布尔代数法则下的运算，那么量子计算就是线性代数法则下的运算。这为量子计算机的设计增加了全新的复杂性，但也增加了计算机基本构建模块的表现力。

量子退相干

而纠缠叠加可以看作是实现量子处理的物理现象。唉，由于量子退相干，大自然并没有让它们的力量变得无足轻重。

在经典计算机中，我们已经掌握了在晶体管中保持电荷的能力，使得它在计算过程中可以保持在“0”或“1”，甚至当数据存储在非易失性存储器结构中时，可能会更长。然而，在量子系统中，量子比特往往会随着时间的推移而坍缩或退相干。这使得在量子领域进行计算极具挑战性，更不用说试图控制多个纠缠量子位了。

这个问题可以追溯到我们目前正在经历的NISQ时代(记住，嘈杂的中尺度量子)。虽然我们发现量子计算机在其系统中吹捧了几十个量子位，但实际上只有少数(3-5个)用于有用的计算。

剩下的量子位主要用于我们试图在量子级控制的嘈杂环境中的纠错。尽管存在粒子级噪声，但目前的研究已经投入大量资金，试图正确控制量子态，这极具挑战性。

量子计算机的使用

量子物理打开了一个充满可能性的新世界的大门。也就是说，从根本上理解量子力学的工作原理，以及如何控制和使用它来设计量子计算机，是完全不同的挑战。

偏振玻璃中的量子物理

但是我们假设我们有技术能力完全控制量子粒子进行计算，噪音不是问题。在这样的世界里，量子计算能做什么经典计算机做不到的事情？从技术上讲，哪些算法给了我们超越经典算法的量子优势？

Shor算法和Grover算法

鼓励大量投资量子计算研究的最著名的量子算法是用于整数分解的Shor算法和用于搜索的Grover算法。

Shor的算法解决了这个问题。\"给定一个整数，找出它的所有质因数.\"整数分解是许多加密函数的核心，尤其是因为求解大数所需的计算复杂性。量子算法比最好的经典版本的速度快得多，它是通过利用量子纠缠和叠加的上述特性来实现的。就现实世界的后果而言，这可能会有效地破坏我们今天在许多应用中所依赖的加密安全性(如果量子计算机落入坏人之手)。

Grover算法也优于经典的搜索算法。尽管大多数经典算法在搜索操作过程中至少需要“看到”大多数对象，但Grover算法只需观察所有对象的平方根，就能以非常高的概率完成其搜索。由于搜索是许多算法的核心，Grover算法可以彻底改变科学计算的模式，加速许多问题领域的发现。

对于一个不可思议的量子霸权的例子，如果能把Shor算法的强大功能和Grover算法结合起来会怎么样？如果我们想要破解一个N位数的密码，经典机器需要依次尝试所有可能的密码组合，直到正确的组合可以解锁系统(因此我们目前享有的密码强度)。但是，在N量子比特系统中，我们的量子机器理论上可以同时探索所有这些组合(感谢，叠加！)。然后，我们可以用Grover算法筛选所有这些组合(“快”是轻描淡写)，以极高的概率告诉我们哪个比特序列会破解密码。

量子计算专家用五个难度级别解释一个概念。

密码破解并不是量子计算机的唯一用例(尽管它非常流行)。利用量子计算机，我们还可以设计出更安全的通信通道。正如潘建伟博士所展示的，我们可以利用纠缠的特性来揭示我们在量子系统中是否被窥探。因为纠缠的粒子必须表现出相同的行为，被截获的数据传输会从本质上改变一个粒子的性质，打破纠缠。银行和数据公司已经在探索这项技术，以帮助保护他们的基础设施。我们只能推测“量子互联网”可能如何设计。

然而，这些应用和算法距离实现还有几十年的时间，因为这样的系统需要实现许多可靠的量子位。目前，科学家和研究人员将重点放在最近的NISQ算法上，该算法可以在噪声系统中显示量子霸权。变分子特征求解器(VQE)和量子近似优化算法(QAOA)是展示量子计算近期潜力的主要候选算法。

在经典计算时代设计未来量子算法的一个直接后果是，研究人员正在发现经典算法的更多改进版本。这个重要的反馈回路将使我们能够继续在科学领域取得现代成功，直到大规模量子处理器被设计出来并广泛可用。

未来的挑战

量子计算确实是一个跨学科的领域，需要多维度的创新。回顾经典计算的早期，硬件技术经历了多次迭代和探索，直到业界确定CMOS晶体管为集成电路中的实际构建模块。同样，设计一个量子位和量子系统(即使用什么原子粒子，如何进行计算的量子转换以及如何测量系统)是一个活跃的研究领域。

后NISQ时代的另一个挑战是降噪。量子退相干确实限制了量子计算的高天花板。知道如何在硬件和软件方面构建一个可靠的系统让人想起20世纪60年代和70年代，当时经典的计算资源非常匮乏且不可靠。在量子水平上这样做是一个全新的挑战。

英特尔Tangle Lake 49位量子处理器

建立一个端到端的系统(比如我们今天喜欢的用于计算、娱乐和科学发现的系统)是量子处理的最终成功指标。我们如何在高度进化的计算环境中集成量子处理器？允许人类对自然的基本物理比特进行编程的库、API、编译器和其他系统工具在哪里？

更紧迫的是:量子计算机的潜在应用和后果是什么，它将如何改变我们生活的世界，我们如何与之互动？

在我们量子计算解释器的第二部分，我们将深入讨论当前量子计算系统的设计。说完了量子力学的基础知识，接下来就要游走在NISQ时代如何设计量子电路、微架构和编程环境了。