何为量子计算机量子计算机的工作原理与经典计算机有什么区别

据外媒报道，谷歌在2019年秋季宣布，其量子计算机的计算速度远远超过目前顶级超级计算机的计算速度，说明“量子霸权”已经实现，而IBM则迅速表示反对，称其经典的超级计算机不仅具有与谷歌量子计算机类似的计算速度，而且在真实性上扼杀了谷歌，因此人们应以“怀疑的眼光”看待谷歌的说法。

量子计算受到质疑已经不是第一次了。去年，法国蒙彼利埃大学的理论物理学家米切尔·达雅科诺夫(Mitchell Dayakonov)在电子和计算机工程的旗舰期刊IEEE Spectrum上发表了一篇文章。从技术角度来说，他列举了一系列我们永远无法建造实用的量子超级计算机的原因。本文作者、俄克拉荷马州立大学量子计算专家Sabhash Kak也认为，构建一台真正有用的量子计算机真的很难，因为硬件中的随机错误很难避免。

什么是量子计算机？

要理解为什么，首先要了解量子计算机的工作原理，因为它的原理和经典计算机有本质的区别。

经典计算机使用无数个0和1来存储数据。这些数字可以代表电路上不同点的电压，但是量子计算机使用量子比特，可以认为量子比特是一系列具有振幅和相位的波。

量子位的性质非常特殊，可以以叠加态存在，即可以同时为0，也可以同时为1；量子比特相互纠缠，即使相距很远，也能共享相同的物理性质。这种行为在经典物理学的世界里是不存在的。一旦实验者试图与量子态相互作用，叠加态就会立即消失。

由于叠加态的存在，一台100量子位的量子计算机可以同时给出2100个解。在解决具体问题时，这种指数级的并行计算无疑具有很大的速度优势。

此外，还有一种量子计算方法，叫做“量子退火”，是指利用量子比特来解决优化问题。加拿大的D-Wave Systems利用量子位创造了一系列优化系统，但批评家指出这些系统的性能并不比经典计算机好。

尽管如此，许多公司和政府还是在量子计算领域投入了大量资金。欧盟制定了耗资11亿美元的量子项目总体规划，美国《国家量子倡议法案》提供了12亿美元，在5年内推动量子信息科学的发展。

破解加密算法是许多国家研究量子技术的强大动力。如果我们能成功掌握这项技术，我们将在智力上获得巨大的优势。此外，这些投资有力地促进了基础物理的研究。

很多公司都在全力打造量子计算机，包括英特尔、微软、IBM等等。这些公司正在开发硬件来模拟经典的计算机电路模型。而目前的实验系统只有不到100个量子位，计算机要真正拥有计算能力，必须有几十万个量子位。

谷歌的Sycamore芯片需要放在低温恒温器中、保持低温状态。谷歌的西克莫芯片需要放在低温恒温器中，保持低温。

噪声和误差校正

量子算法背后的数学原理很清楚，但是技术上还是有很大的挑战。

计算机要想正常运行，必须能随时纠正随机的小错误。在量子计算机中，这些误差可能来自有故障的电路元件或量子位与周围环境的相互作用。一旦出现这些问题，量子位之间的相干性就会迅速消失，所以计算时间一定比这个时间短。如果不修正这些随机误差，量子计算机的计算结果将毫无价值。

在经典计算机中，小尺度噪声可以通过使用所谓的“阈值”概念来校正，这类似于数字的舍入。以整数的传输为例，假设已知误差值小于0.5，如果接收数为3.45，则自动修正为3。

更严重的噪声可以通过引入“冗余”来校正。假设0和1以000和111的形式传输，那么在传输过程中只会有一个比特出错，这样如果收到的数字是001，就会自动纠正为0；如果收到101，将更正为1。

量子纠错码是经典计算机纠错码的广义版本，但它们之间有着关键的区别。第一，未知量子位无法复制，因此无法应用冗余纠错。其次，在引入纠错码之前输入数据中的错误不能被纠正。

量子加密

虽然噪声是量子计算机的主要挑战，但对于量子加密来说却不是。因为在量子加密技术中，每个量子位之间没有相干性，单个量子位可以长期与外界环境隔离。利用量子加密技术，两个用户可以交换所谓的“密钥”，就像保护数据的密钥，没有人能破解这个密钥交换系统。这种密钥交换系统可以用于卫星和舰艇之间的加密通信。但是交换密钥后使用的真实加密算法仍然是经典算法，所以理论上加密级别不会高于经典加密方法。

量子加密技术已经在一些大型银行交易中使用。但由于交易双方必须通过经典协议进行身份认证，而经典协议是整个链条中最薄弱的一环，所以整个加密系统的强度与现有系统没有太大区别。银行仍然使用基于经典加密方法的身份认证过程，这个过程本身也可以用于密钥交换，而不会损失系统的整体安全性。

因此，量子加密技术要想获得远优于现有技术的安全性，就必须将重心转移到量子信息传输上。

商业规模的量子计算挑战

如果能解决量子信息传输的问题，量子加密技术还是大有可为的，但量子计算不一定如此。纠错能力对普通的多功能计算机来说是如此重要，对量子计算机来说是一个巨大的挑战。因此，很难建造商业规模的量子计算机。