什么是量子计算？

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量子计算机通过使用量子物理的特殊规则执行计算，为传统编程方法引入了新的概念。

让我们看看量子计算与经典计算有何不同，以及如何构建量子计算机。

量子计算的诞生

由于在经典计算机上模拟量子系统比较困难，由此产生了量子计算机的想法。 20 世纪 80 年代，Richard Feynman 和 Yuri Manin 提出，基于量子现象的硬件在模拟量子系统方面可能比传统计算机更有效。

可以通过多种方法来了解量子系统难以模拟的原因。 最简单的就是看物质在量子层面上同时有多种可能的构型（称为状态）。

量子计算呈指数级增长

考虑量子粒子系统，例如电子。 电子有 $40$ 个可能的位置。 因此，该系统可以处于 $2^{40}$ 种配置中的任意一种（因为每个位置可以包含电子，也可以不包含电子）。 若要在传统计算机中存储电子的量子状态，需要超过 $130$ GB 的内存！ 如果允许电子有另一个位置，它们可以在 $41$ 个位置中的任意一个，则配置数 $2^{41}$ 将是其两倍，因而需要超过 $260$ GB 的内存才能存储量子状态。

这个增加位置数量的游戏不能无限地玩。 如果想以传统方式存储状态，将很快超出世界上最强大的计算机的内存容量。 内存用来存储系统所需的数百个电子超出了宇宙中的粒子数；因此，传统计算机没有希望模拟其量子动力学。

将困难转化为机会

看到这种指数级的增长，人们提出了一个很有震撼力的问题：有可能把这种困难转化为机会吗？ 具体来说，如果量子系统难以模拟，则在构建将量子效应作为基本运算的硬件时，会发生什么情况？ 我们是否可以通过一台利用完全相同的物理定律的机器，模拟由相互作用的粒子组成的量子系统？ 我们能否利用这种机器来研究量子粒子不存在但对我们至关重要的其他任务？ 这些问题引出了量子计算的起源。

1985 年，David Deutsch 表明，量子计算机可以有效地模拟任何物理系统的行为。 此发现首次表明，量子计算机可以用来解决经典计算机难以解决的问题。

1994 年，Peter Shor 发现了一种用于整数因式分解的量子算法，其运行速度比已知最好的经典算法快得多。 因式分解使得破解当今为电子商务提供底层安全性的多种公钥加密系统成为可能，包括 RSA 和椭圆曲线加密。 这一发现引发了人们对量子计算的巨大兴趣，并导致为许多其他问题开发量子算法。

自那时起，人们为许多困难的传统任务开发了快速且高效的量子计算机算法：在化学、物理学和材料科学方面模拟物理系统、搜索无序数据库、求解线性方程组和机器学习。

什么是量子比特？

正如位是经典计算中信息的基础对象一样，量子比特（量子位）是量子计算中信息的基础对象。

量子比特是量子计算中的基本信息单位。 量子比特在量子计算中的作用与比特在经典计算中的作用类似，但它们的行为方式不同。 经典位是二进制位，只能保留 $0$ 或 $1$ 的位置，但量子位可以容纳所有可能状态的叠加。 此行为意味着量子比特可以处于 $0$、$1$ 状态或两者的任何量子叠加态。 $0$ 和 $1$ 有无限可能的叠加，每个叠加都是有效的量子位状态。

在量子计算中，信息以 $0$ 和 $1$ 的叠加态编码。 例如，使用 $8$ 位，我们可以对 $256$ 个不同的值进行编码，但我们必须选择其中一个来对其进行编码。 借助 $8$ 量子比特，我们可以同时对 $256$ 值进行编码，因为量子比特可以处于所有可能状态的叠加态。

如何构建量子计算机

量子计算机是一种利用量子力学现象的计算机。 量子计算机使用物质的量子状态来存储和计算信息。 它们可以对量子干涉进行“编程”，从而比经典计算机做得更快或更好。

在构建量子计算机时，我们需要考虑如何创建量子位以及如何存储量子位。 我们还需要考虑如何操作它们以及如何读取计算结果。

最常用的量子比特技术包括离子阱量子比特、超导量子比特和拓扑量子比特。 对于某些量子比特存储方法，存储量子比特的装置会存放在接近于绝对零度的地方，以最大限度地提高其相干性并减少干扰。 其他类型的量子比特装置使用真空室来帮助最大程度地减少振动并使量子比特保持稳定。 可以使用多种方法（包括微波、激光和电压）将信号发送到量子比特。

量子计算机的五个条件

良好的量子计算机应具有以下五个功能：

  1. 可缩放：它可以具有许多量子位。
  2. 可初始化：它可以将量子比特设置为特定状态（通常为 $0$ 状态）。
  3. 可复原：它能让量子位长时间处于叠加状态。
  4. 通用：量子计算机不需要执行每个可能的操作，只需执行一组称为通用集的操作。 一组通用量子运算是指，任何其他运算都可以分解为它们的序列。
  5. 可靠：它可以准确测量量子位。

这五个条件通常称为量子计算的 Di Vincenzo 条件。

构建满足这五个条件的设备是人类面临的最苛刻的工程挑战之一。 Microsoft 与世界各地的一些一流的量子计算机制造商合作，以便你通过 Azure Quantum 访问最新的量子计算解决方案。