量子计算：关于用量子力学超强大计算机的事实

(2025-05-12 07:17:18)

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量子计算：关于用量子力学超强大计算机的事实

By Peter Ray Allison Contributions from Marilyn Perkins last updated May 8, 2025

Computing

发现关于量子计算机的有趣事实、它们与经典计算机如何不同以及它们将被用于哪种领域。

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药物发现和材料科学——目前最快的经典计算机被部署的地方——是量子计算机可以被用于的两个例子。(Image credit: bpawesome/Getty Images)

快事实

它们是什么：用量子力学的奇怪法则处理信息的强大计算机，这操纵在亚原子水平上

它们如何工作：与一次只有一个值数字位（0或1）的正常计算机不一样，量子计算机使用量子比特或量子位，它能一次把持多个值。

它们可被用于什么：建立强大的人工智能系统并解决诸如药物发现和材料科学领域中的难题。

量子计算机往往被吹捧为下一代计算技术。它们依靠量子力学的法则——在亚原子尺度上粒子的诡异行为——来处理信息。目前，量子计算机太小、太难维护并且太容易出错不能与当今的最好经典计算机竞争。然而，许多专家预计有一天量子计算对特定任务胜过经典计算。

使量子计算已经在过去的几年中迅速发展的技术。有一天它们可能能够解决那些甚至对今天的最强大传统计算机过于复杂的问题。这种巨大的性能增益可能为许多令人兴奋的用途包括制药、气候建模和制造打开大门，所有这些都依赖宏大复杂的仿真。

所有你需要知道的关于量子计算机的东西

量子计算和经典计算之间差别是什么？

经典的计算机使用二进制位处理数据，它能处于两种状态之一中——0或1。这些比特被编码在晶体管上，晶体管能被从硅、锗或其他半导体制成。

量子计算机使用诸如电子或光子粒子，行为像量子比特或量子位一样，它们代表0和1的一个超位，意味着它们能一次在多个状态中存在。量子物理学的奇怪法则也意味着量子比特能变得被纠缠，其中多个量子比特的状态被联系无关它们之间的距离。

量子计算机如何工作？

量子计算机有一个标志性的枝形吊灯结构。这个结构宿主一系列相互连接的管道和包含不同的计算机层的电线。大多数量子计算机都被用大体积、强大的冰箱连接，这些冰箱将处理器冷却到接近绝对零度来将热噪声和振动降到最小。量子计算机都有略微不同的架构，但它们往往有以下元素。

量子数据平面：量子数据平面包着量子比特并且是经由量子门数据被处理的地方。一些量子比特被冷却到刚好绝对零度以上的固体超导体弄成。另一些用电磁场来陷住离子或在高真空室中行为像量子比特一样的带电原子。真空压力最小化来自振动的干扰并稳定化量子比特。

控制和测量平面：控制和测量平面将一个来自用经典计算的处理器的数字信号转换成在量子数据平面中用的模拟信号。

控制处理器平面和主机处理器：控制处理器平面和主机处理器履行量子算法，这是一个被设计来运行在一台量子计算机上的一系列操作。在执行一个量子计算之后，主机处理器将一个经典数字信号中继到控制和测量平面。

量子软件：让处理器输出进入控制和测量平面需要另一个元素：量子软件。量子软件是由量子算法弄成的。

这里在亚马逊的量子网络实验室中被看到的一台量子计算机的枝形吊灯架构。 (Image credit: Boston Globe via Getty Images)

为什么我们需要量子计算机？

在理论中，量子计算机可以比经典计算机远更快并同时的解决多个复杂的问题。它们对优化任务是特别的承诺，这涉及找到一个问题的最佳可能解决方案。当一个问题有一个极端大量可能的解决方案时经典计算机挣扎。然而，一台量子计算机可以考虑所有潜在的解决方案并迅速找到最优的解决方案。药物发现或材料科学——目前最快的经典计算机被部署的地方——是量子计算机如何能被使用的两个例子。

量子计算机也可以改变人工智能（AI）。人工智能系统被用大型数据集训练，因此量子计算机可以使更大、更复杂的数据集被用于训练人工智能，从而导致越来越复杂的系统。

为什么量子计算机如此难来建造？

量子计算机是优雅的容易受到来自外部源的干扰，诸如温度变化或杂散粒子。当有一个干扰时量子比特容易受到退相干或它们的量子态坍缩。退相干性使量子计算机比传统计算机远更容易出错。虽然大约100亿个比特中一个失败，但对量子比特的失败率大约是1000分之一——这是更多100万倍的错误。

虽然有来保护一个量子系统免受外部影响的方法，但错误仍然溜进来。科学家们已经制作了量子算法来补偿量子计算机中的错误，但这些算法需要量子比特来运行，降低多少对处理数据是可利用的。量子力学的另一个怪癖是直接的观察或测量一个在超位中的粒子或原子的状态摧毁它。这意味着研究人员必须用棘手的变通来读取输出的量子态，因为直接观测冒坍塌数据的风险。

量子计算机将如何改变世界？

一旦我们取得量子霸权量子计算机将是一项颠覆性的技术——量子霸权是量子计算机能超越最好的经典计算机的点。但科学家何时将制造出一台足够强大的有数百万个纠错的量子比特的量子计算机目前不确定。

甚至那个时候，经典计算机仍将是解决大多数问题的最容易的方法。量子计算机可能只被用于解决超出经典计算机能力的问题。

然而，将可能被影响的一个领域是加密，它保护诸如财务记录和个人信息敏感数据。现代加密方法依赖对经典计算机来解决太复杂的问题数学问题。然而，一台量子计算机会容易的能够解决这些问题。量子密码学现在是一个新兴的领域，因为研究人员试图开发抗量子加密技术来保护敏感数据不被量子计算机破解。

词汇表

·量子比特：量子计算机中信息的基本单位。与经典的计算机位不同，一个量子比特能同时是0和1，这允许量子计算机来一次处理更多的信息。

·超位：一种被量子力学管理的特殊属性，它允许量子比特同时以多个状态（0和1）存在。

·量子纠缠：一种在那里两个粒子的命运被联系的现象，即便它们物理上分开的。量子比特能被纠缠以便一个的状态立即的影响另一个的状态。

·量子算法：被设计来在量子计算机上逐步运行来执行计算的程序。这些算法利用超位和量子纠缠来允许更复杂的操作。

·量子霸权：量子计算机能够可靠的超越最强大的经典超级计算机的点。

量子计算机图片

量子特写。(Image credit: Bartlomiej K. Wroblewski via Alamy)