量子计算已经吸引人们的想象力近 50 年。原因很简单:它为解决经典机器永远无法解答的问题提供了一条途径。例子包括精确模拟化学过程以开发新分子和材料,以及解决复杂的优化问题,这些问题旨在从许多可能的替代方案中找到最佳解决方案。每个行业都需要优化,这也是这项技术具有如此大的颠覆性潜力的原因之一。
直到最近,访问新兴的量子计算机还仅限于世界各地少数实验室的专家。但过去几年的进步使得世界上首批原型系统的构建成为可能,这些系统最终可以测试到目前为止还只是纯理论的想法、算法和其他技术。
量子计算机通过利用量子力学的力量来解决问题。与经典机器一次考虑一个可能的解决方案不同,它们的行为方式无法用经典类比来解释。它们从所有可能解决方案的量子叠加态开始,然后使用量子纠缠和量子干涉来定位到正确的答案——这些过程我们在日常生活中观察不到。然而,它们提供的承诺是以难以构建为代价的。一种流行的设计需要超导材料(保持比外太空冷 100 倍),对精细量子态的精巧控制,以及对处理器的屏蔽,以防止哪怕是一丝杂散光线进入。
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现有的机器仍然太小,无法完全解决比当今超级计算机可以处理的更复杂的问题。尽管如此,已经取得了巨大的进步。已经开发出将在量子机器上运行得更快的算法。现在存在一些技术,与 10 年前相比,这些技术将超导量子比特中的相干性(量子信息的寿命)延长了 100 多倍。我们现在可以测量最重要类型的量子错误。2016 年,IBM 向公众提供了对云中第一台量子计算机——IBM Q 体验——的访问,该计算机具有用于对其进行编程的图形界面,现在又具有基于流行的编程语言 Python 的界面。向世界开放这个系统推动了对这项技术进步至关重要的创新,迄今为止,已有 20 多篇学术论文使用该工具发表。该领域正在迅速扩展。全球的学术研究小组以及 50 多家初创公司和大型企业都专注于将量子计算变为现实。
凭借这些技术进步和任何人都可以轻松使用的机器,现在是“量子准备”的时候了。人们可以开始弄清楚,如果今天存在可以解决新问题的机器,他们会做什么。许多量子计算指南都可以在网上找到,以帮助他们入门。
仍然存在许多障碍。相干时间必须提高,量子错误率必须降低,最终,我们必须减轻或纠正确实发生的错误。研究人员将继续推动硬件和软件方面的创新。然而,研究人员对于应该用哪些标准来确定量子计算何时实现技术成熟存在分歧。有些人提出了一种标准,该标准由进行科学测量的能力定义,这种科学测量非常晦涩,以至于不容易向普通受众解释。我和其他人不同意,认为量子计算只有在能够解决具有商业、知识和和社会重要性的问题时,才会作为一种技术出现。好消息是,那一天终于指日可待了。