作者 |Jason Roell
編譯 | YIFEI
盡管數(shù)字革命給我們帶來了人類歷史上最壯觀的技術創(chuàng)新浪潮，但仍有一些計算問題似乎無法解決，其中一些可能會阻礙關鍵的科學突破，甚至阻礙全球經(jīng)濟。幾十年來，傳統(tǒng)計算機的功率和處理速度幾乎每兩年翻一番，但它們仍未解決這些長期存在的問題。原因是什么呢？計算機科學家可能會給出相同的答案：今天的數(shù)字、傳統(tǒng)計算機是建立在經(jīng)典的、非常有限的計算模型之上的。從長遠來看，為了有效解決世界上最棘手的計算問題，我們將不得不求助于全新的、功能更強大的量子計算機。
歸根結底，傳統(tǒng)計算機和量子計算機之間的區(qū)別并不像舊車和新車之間那樣，而是像馬和鷹之間的區(qū)別：一個可以奔跑，而另一個可以飛。本文將仔細研究其關鍵區(qū)別所在，并深入探討量子計算機的獨特之處。
經(jīng)典計算的硬性限制
摩爾定律
幾十年來，傳統(tǒng)計算機的絕對速度和計算能力每兩年翻一番（有些人認為僅僅只有一年半），這被稱為摩爾定律。盡管飛速發(fā)展的步伐可能終于開始略有放緩，但今天占滿房間的超級計算機就是明天的廉價筆記本電腦，這或多或少是可能的。因此，以這種速度，似乎可以合理地假設，在可預見的未來，沒有傳統(tǒng)計算機最終無法處理的計算任務。然而，除非我們談論的是數(shù)萬億年（甚至更長）的時間，否則當涉及到某些棘手的任務時，這根本不是一個安全的假設。
傳統(tǒng)計算機的致命弱點
事實上，即使是未來最快的傳統(tǒng)計算機，也可能無法完成諸如快速找到非常大整數(shù)的質因數(shù)這樣的計算任務。這背后的原因是，尋找一個數(shù)的質因數(shù)是一個呈指數(shù)增長的函數(shù)。指數(shù)增長，是理解為什么量子計算機具有如此大的潛力以及為什么傳統(tǒng)計算機不足的一個非常重要的部分。隨著“事物”數(shù)量的增加，一部分會以同樣的速度增長，而另一部分會增長得更快。當增長相對于增長的總數(shù)變得更快（不是恒定的）時，那么它就是指數(shù)級的。
指數(shù)增長非常強大，其最重要的特征之一是雖然起步緩慢，但它可以相當迅速地產(chǎn)生巨大的數(shù)量�；蛟S有個小故事可以幫助我們更好地理解指數(shù)增長。
傳說中，一位智者得到了國王的賞賜，他請求國王獎勵他，在棋盤的第一格上放一粒米，第二格放兩粒米，第二格放四粒米……以此類推，每個方格的谷物數(shù)量都是前一個方格的兩倍。國王同意了他的請求，但很快意識到填滿棋盤所需的大米比整個王國都多，這將使他耗盡所有資產(chǎn)。
任何正方形上的顆粒數(shù)反映了以下規(guī)則或公式:
在這個公式中，k是正方形的數(shù)，N是正方形上的米粒數(shù)。
如果 k = 1(第一個平方) ，則 N = 2，等于1。
如果 k = 5(第五個平方) ，則 N = 2，等于16。
這是指數(shù)增長，會隨著平方的增加而增加。
為了進一步概念化這個問題，我們來看一個關于指數(shù)增長輸入量與指數(shù)函數(shù)輸入量之間關系的圖表。如圖所示，該函數(shù)的啟動相對較慢，但很快就會達到任何一臺經(jīng)典計算機都無法在足夠大的輸入尺寸下計算的數(shù)字。
回到現(xiàn)實世界中的指數(shù)問題，質因數(shù)分解。
以數(shù)字51為例，要花多長時間才能找到兩個唯一的質數(shù)相乘得到它呢？如果熟悉這類問題，可能只需要幾秒鐘就能找到質數(shù)3和17，相乘得到51。事實證明，這個看似簡單的過程是數(shù)字經(jīng)濟的核心，也是我們最安全的加密類型的基矗我們在加密中過程中，當用于質因數(shù)分解的數(shù)字變得越來越大時，傳統(tǒng)計算機將越來越難以分解它們。一旦你達到了一定數(shù)量的數(shù)字，你會發(fā)現(xiàn)即使是最快的傳統(tǒng)計算機也需要幾個月、幾年、幾個世紀、幾千年，甚至無數(shù)個億來計算它。
有了這個想法，即使在可預見的未來，計算機的處理能力會每兩年翻一番，它們也將始終與質因數(shù)分解作斗爭。在現(xiàn)代科學和數(shù)學的核心，其他同樣棘手的問題包括某些分子建模和數(shù)學優(yōu)化問題，這些問題有可能使任何敢靠近它們的超級計算機崩潰。
量子計算機登場
傳統(tǒng)計算機是嚴格的數(shù)字計算機，完全依賴經(jīng)典的計算原理和特性。而量子計算機嚴格來說是量子的，因此它們依賴于量子原理和性質，最重要的是疊加和糾纏，這使得它們幾乎具有奇跡般的能力來處理看似不可能解決的問題。
疊加
為了理解疊加的概念，我們需要考慮一個簡單的系統(tǒng)：雙態(tài)系統(tǒng)。一個普通的、經(jīng)典的雙狀態(tài)系統(tǒng)就像一個開關，它總是處于一種狀態(tài)(On)或另一種狀態(tài)(Off)。然而，雙態(tài)量子系統(tǒng)完全是另一回事。當我們測量它的狀態(tài)時，會發(fā)現(xiàn)它確實不是開著就是關著，就像經(jīng)典系統(tǒng)一樣。但在測量之間，量子系統(tǒng)可以同時處于開態(tài)和關態(tài)的疊加狀態(tài)。
一般來說，物理學家認為，在測量之前討論量子系統(tǒng)的狀態(tài)(比如自旋)是沒有意義的。有些人甚至認為，測量量子系統(tǒng)的行為會導致它從一個不確定的模糊狀態(tài)崩潰到你測量的值(開或關，上或下)。雖然可能無法想象，但不可否認這種神秘的現(xiàn)象不僅是真實的，而且為解決問題的能力提供了一個新的維度，為量子計算機鋪平了道路。
糾纏
接下來是量子力學的下一個性質，我們需要利用它來創(chuàng)建量子計算機。
眾所周知，一旦兩個量子系統(tǒng)相互作用，它們就會無可救藥地成為糾纏在一起的伙伴。從那時起，一個系統(tǒng)的狀態(tài)將會提供關于另一個系統(tǒng)狀態(tài)的精確信息，無論這兩個系統(tǒng)相距多遠。這兩個系統(tǒng)可能相距數(shù)光年，但仍然能給出關于對方精確和即時的信息。
量子比特
量子比特/量子位在量子計算中的作用與經(jīng)典計算中的一樣: 它是信息的基本單位。然而，與量子比特相比，比特則徹頭徹尾的無意義。雖然比特和量子位都生成兩個狀態(tài)(0或1)中的一個作為計算的結果，但是一個量子位可以同時處于0和1兩種狀態(tài)之前。這聽起來是不是很像態(tài)疊加原理？沒錯，量子位是最優(yōu)秀的量子系統(tǒng)。
正如傳統(tǒng)計算機是用開或關的晶體管一點一點構建的，量子計算機則是由處于向上或向下自旋態(tài)的電子逐個量子位構建。正如處于開/關狀態(tài)的晶體管串在一起形成在數(shù)字計算機中執(zhí)行經(jīng)典計算的邏輯門一樣，處于上/下自旋狀態(tài)的電子串在一起形成在量子計算機中執(zhí)行量子計算的量子門。
我們如今走到了哪一步？
當英特爾(Intel)忙于生產(chǎn)每片有數(shù)十億個晶體管的傳統(tǒng)芯片時，世界領先的實驗計算機科學家們仍在努力建造一個擁有超過少數(shù)量子位的量子計算機“芯片”。IBM推出了世界上最大的量子計算機，它有50個量子位，這是一件大事。盡管如此，這只是一個開始，如果類似摩爾定律的東西適用于量子計算機，我們應該在幾年內達到數(shù)百臺，再過幾年就會達到數(shù)千臺，不需要10億個量子比特就能在一些關鍵類別上勝過傳統(tǒng)計算機，比如素分類、分子建模和一系列傳統(tǒng)計算機如今還無法觸及的優(yōu)化問題。
等待突破的障礙
量子計算機尚未成為主流的主要原因是，世界上最優(yōu)秀的頭腦和發(fā)明家仍在與高錯誤率和低量子位位數(shù)作斗爭。當我們一起解決這兩個問題時，我們將迅速增加IBM所說的每臺計算機的“量子體積”，這是一種可視化量子計算機可以執(zhí)行的有用計算的絕對數(shù)量的方法。
簡而言之，要讓量子計算起飛，讓量子驅動的macbook開始熱銷，我們需要更多的量子比特，而錯誤則要少得多。這需要時間，但至少我們知道我們的目標是什么，我們面對的是什么。
神話vs解釋
雖然我們知道量子計算機可以輕松地完成傳統(tǒng)計算機無法想象的事情，但我們并不真正知道它們是如何做到的。如果這聽起來令人驚訝，考慮到第一代量子計算機已經(jīng)存在，請記住量子這個詞。一個世紀以來，我們一直在使用量子力學來解決問題，但我們仍然不知道它是如何運行的。
量子計算作為量子家族的一員，也是同舟共濟。邁克爾尼爾森(Michael Nielsen)（基本上就是他寫了這本關于量子計算的書）令人信服地指出，任何關于量子計算的解釋都注定會失之偏頗。畢竟，根據(jù)尼爾森的說法，如果對量子計算機的工作原理(即可以可視化的東西)有一個簡單的解釋，那么它就可以在傳統(tǒng)計算機上進行模擬。但如果它可以在傳統(tǒng)計算機上模擬，那么它就不能成為量子計算機的準確模型，因為量子計算機根據(jù)定義可以做傳統(tǒng)計算機無法做的事情。
根據(jù)尼爾森的說法，最流行的假裝解釋量子計算的神話被稱為量子并行。我們會經(jīng)常聽到量子并行的故事。量子并行性背后的基本思想是，與傳統(tǒng)計算機不同，量子計算機同時探索所有可能的計算結果/解決方案(即在單個操作中)，而數(shù)字計算機必須緩慢前進，按順序查看每個解決方案。根據(jù)尼爾森的說法，量子并行故事的這一部分大致是正確的。然而，他尖銳地批評了這個故事的其余部分，接著說，在研究了所有的解決方案之后，量子計算機挑出了最好的一個。根據(jù)尼爾森的說法，這是一個想象。他堅持認為量子計算機和所有量子系統(tǒng)一樣，其背后真正做的事情完全超出了我們的能力范圍。我們只能看到輸入和輸出，而在這兩者之間發(fā)生的事情是未知的。
