量子力学原理（什么是量子计算？）

　　量子力学原理（什么是量子计算？）
　　今年是英特尔 4004 诞生 50 周年，它是世界上第一款微处理器，也是一项继续以惊人速度发展的工程成就。借助摩尔定律和丹纳德缩放的成功，今天的计算机使过去处理器的突破相形见绌。事实上，你现在使用的手机或平板电脑比世纪之交的超级计算机拥有更多的计算能力。将这种处理能力与机器学习和其他算法突破的迅速崛起相结合，我们即将进入2017 年图灵奖获得者所说的＂计算机架构的新黄金时代＂。
　　虽然到达这一点并非易事。在过去的几十年里，物理学、计算机体系结构和软件设计领域最杰出的人才需要联合起来，利用和控制电子的经典特性进行计算。他们一起围绕数十亿个数字 0 和 1 构建了一个完整的生态系统，涵盖从算法到编译器、微处理器到数字门的整个堆栈。
　　在启动我们的高端 PC 或不断检查我们的手机时，我们可能认为理所当然的是数十年研究、实施和迭代的结果，并且很可能会持续到可预见的未来。
　　或者会吗？
　　量子计算机开始出现在许多工业和研究实验室（IBM、英特尔、微软、谷歌，仅举几例）。许多国家的政府正在向量子计算研究投入大量资金。每次发布新原型时，这些机器中的量子位（或qubits）数量似乎都会增加。这些强大的机器触手可及只是时间问题吗？
　　量子计算硬件：
　　IBM（上）和微软（下）
　　嗯，不完全是。在事件的时间尺度上，我们可能仍处于量子计算机的真空管时代。系统研究人员将此称为＂嘈杂的中尺度量子＂（NISQ，发音类似于＂RISC＂和＂CISC＂）时代，在这个时代，量子处理器开始显示出对某些问题的计算优势的前景，但在非常嘈杂的情况下运行这很容易出错。为了达到经典计算机所享有的广泛采用，需要在整个堆栈中开发和实施更多创新和技术，类似于经典计算的演变。
　　同时，量子计算机很可能不会取代经典机器，而是与经典计算机一起工作以加速某些应用程序。这类似于当今通常使用 GPU 来加速图形和像素操作的方式。为此，量子计算硬件通常被称为 QPU 或量子处理单元，并且将由/将受主机处理器（例如 CPU）控制。事实上，量子算法通常涉及经典的预处理或后处理，并且需要以这样的方式构建，以便作为经典系统的协处理器运行。
　　正如科学家和从业者齐心协力带领我们进入当前的信息时代一样，他们必须再次为量子计算机这样做。然而，这一次，挑战不是利用和驯服电子的经典特性，而是控制我们宇宙的量子特性并将其用于计算。
　　这场量子之旅将带我们回到 20 世纪更早的时候，回到阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间关于我们都生活的物理世界的性质的思想分歧。
　　2 分钟解释量子计算......
　　现代计算机只使用两种状态：开和关（1 和 0）。我们已经利用这些功能大规模地进行逻辑运算，现代处理器每秒可以执行数十亿次这样的运算。
　　量子计算改变了范式，并根据量子力学原理工作，其中状态不再是二进制的，可以同时为 1和0。量子计算的研究还处于非常早期的阶段，我们今天可以进行的计算不稳定且容易出错。相信在未来几年和几十年，量子计算能力将远远超过我们用＂经典＂计算机所能做到的，特别是解决某些当今处理器非常具有挑战性的计算问题。
　　但是，当然，这几乎没有掌握基础知识。继续阅读我们解释这个引人入胜的话题。
　　理解量子计算机的＂量子＂
　　在深入研究量子计算机的工作原理之前，需要简要介绍一下粒子的量子性质。量子特性与经典特性截然不同，正是这些特性为量子计算机提供了＂强大＂的计算能力。我们没有推导出控制量子计算机的公式，而是试图在这里掌握对量子特性的概念性理解，这有助于推动量子计算机。
　　历史
　　1927 年，索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。当时最伟大的物理学家齐聚一堂，讨论新形成的量子理论的基础。29 位与会者中有 17 位是或成为诺贝尔奖获得者。这场历史性会议的核心是两个观点相互冲突的思想：新成立的量子理论的拥护者尼尔斯·玻尔和致力于揭穿量子理论＂完全错误＂的阿尔伯特·爱因斯坦。
　　1927 年索尔维量子力学会议。本杰明·库普里摄
　　在为期一周的会议中，爱因斯坦将在玻尔提出挑战和思想实验，内容是寻找量子理论中的缺陷。每天，玻尔和同事都会研究每一个挑战，并在第二天早上吃早餐时向爱因斯坦提出反驳。玻尔甚至有一次用爱因斯坦的相对论来对付他。在会议结束时，人们认为玻尔赢得了争论，为爱因斯坦的每一个挑战提供了反驳。
　　然而，爱因斯坦仍然不相信。尽管玻尔做出了回应，但爱因斯坦现在认为量子理论一定缺少一些东西。1933 年，爱因斯坦在新泽西州普林斯顿定居，并招募了 Nathan Rosan 和 Boris Podelsky 来寻找量子力学的潜在缺陷。他们一起工作，发现了量子物理数学中的一个悖论！爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论（或 EPR 悖论）发现了粒子之间看似不可能的联系。具体来说，他们发现距离较远的两个粒子可以在现实世界中表现出相关和匹配的行为。
　　例如，假设两个粒子各自隐藏在相隔一定距离（例如，一米）的单独杯子下。根据数学，揭开并观察一个杯子下面的粒子会神秘地揭示第二个杯子下面具有匹配特性的另一个粒子。爱因斯坦有句名言：＂幽灵般的远距离行动＂。事实上，EPR悖论论文是爱因斯坦被引用最多的工作，后来许多物理学家和实验家试图解决和解释这个悖论。有没有实验可以证明爱因斯坦或玻尔是否正确？
　　尽管量子力学的美丽方程中有这个（尽管很大）皱纹，但量子理论仍然起飞。1940 年代的曼哈顿计划、激光的发现，甚至晶体管（经典计算机的组成部分）的发展，都建立在量子理论正确的＂推测＂之上。直到 1960 年代，量子纠缠问题才真正得到解答。
　　量子纠缠
　　虽然基于量子力学的科学发现不断涌现，但 EPR 悖论带来的理论挑战困扰了许多物理学家几十年来。众所周知，对量子的思考让人们被物理系开除了！然而，来自北爱尔兰的物理学家约翰贝尔对 EPR 悖论感到非常困惑，他决定在业余时间修补它，同时在日内瓦欧洲核子研究中心担任粒子物理学家，作为他的＂日常工作＂。
　　1964 年，贝尔发表了一篇名为《论爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论》的论文，在那里他能够证明爱因斯坦和玻尔的方程做出了不同的预测！事后看来，这是物理学史上一篇极具革命性的论文。然而，正如历史所料，它发表在一个鲜为人知的科学期刊上（几年后它最终甚至会被折叠），只是为了收集架子上的灰尘。
　　也就是说，直到它在 1972 年偶然落在约翰·克劳瑟的办公桌上。克劳瑟非常喜欢这篇论文，但他想，＂哪里有实验证据来支持这一点？＂ 他决定进行一项实验来测试它。
　　1970 年代的约翰·克劳瑟
　　在加州大学伯克利分校与斯图尔特弗里德曼一起工作并使用最近发现的激光，设置很简单：将激光照射在钙原子源上，它会发出一对光子（根据量子理论）应该纠缠。他们使用过滤器后面的探测器测量光子，并检查光子通过过滤器时是否相关。令许多人惊讶的是，它与玻尔的预测相符，说明光子之间的＂幽灵＂联系确实与实验结果相符。
　　然而，并不是每个人都完全相信这个实验。一些人认为，过滤器可能不是真正随机的，可能会影响实验期间进行的测量。不过，在 2017 年，进行了一次全面的宇宙钟测试。这一次，维也纳大学的物理学家设计了一个与 1974 年版本类似的实验，但使用来自两个 80 亿年前的类星体的光来控制两个望远镜上的滤光片进行实验。结果显示了类似的结果：远处的粒子实际上是纠缠在一起的。
　　这就是量子计算机工作原理背后的一个基本概念。现代计算机的基本组成部分是＂位＂，当它们串在一起时，可以对信息进行编码并执行计算。另一方面，量子位（或量子位）实际上彼此纠缠在一起。操纵一个量子位实际上可能会影响系统中的另一个量子位。就可以存储和操纵的信息量而言，这种纠缠行为可能极具表现力。但是，正如您可以想象的那样，为了实现量子计算机，还有更多的量子物理学需要解开。
　　量子叠加
　　量子纠缠只是等式的一部分，它使量子计算机与经典计算机有着根本的不同。另一个重要的概念是量子叠加。这个原理说一个量子粒子可以同时以多个叠加态存在，直到它被测量为止。
　　让我们首先解开该陈述的第二部分，关于量子粒子的测量。这种性质通常与奥地利物理学家 Erwin Schrödinger 和他关于盒子里的猫的理论思想实验更相关。简单来说，薛定谔说，如果你把一只猫和可以杀死猫的东西（一种放射性原子）放在一个盒子里并密封起来，直到你打开盒子，你才会知道猫是死是活，所以直到盒子被打开，这只猫（在某种意义上）既＂死了又活了＂。
　　更广泛地说，猫死的概率是不可忽略的，盒子关闭时猫还活着的概率也是不可忽略的。只有当你打开盒子时，你才能确定猫是真的死了还是活着，但此时＂系统＂被测量破坏了。
　　对于更技术性的示例：单个经典位只能是两个可能值之一：0 或 1。量子位可以同时为部分0 和部分1，更正式地称为两者的叠加值。因此，在测量之前，一个量子位可以（例如）是 25% 0 和 75% 1。但是，一旦测量到，观察到的值将是 0 或 1（不是两者兼而有之）。从概率上讲，如果您要对这个量子位执行数十万次测量，您会期望 25% 的测量结果为 0，其余 75% 的测量结果为 1。虽然没有测量，它确实处于 0 和 1 的叠加状态。
　　正如一位聪明的 YouTube 评论者所说......＂实际上，叠加是一种非常正常的现象。我的低音炮既是扬声器又是我的床头柜。＂
　　粒子的这种量子性质再次从根本上令人难以置信，我们的经典计算思维方式。然而，从数学的角度来看，它实际上效果很好。如果我们将经典计算视为布尔代数定律下的运算，那么量子计算则是在线性代数规则下运作的。这在量子计算机的设计中增加了一个全新的复杂度，但也增加了计算机基本构建块的表现力。
　　量子退相干
　　纠缠和叠加可以被认为是实现量子处理的物理现象。唉，由于量子退相干，大自然并没有让利用它们的力量变得微不足道。
　　在经典计算机中，我们已经掌握了在晶体管中保持电荷的能力，使其在计算期间保持在＂0＂或＂1＂，甚至在将数据存储在非易失性存储器结构中时甚至可能更长时间。然而，在量子系统中，量子位往往会随着时间的推移而崩溃或退相干。这使得在量子领域执行计算变得极具挑战性，更不用说试图控制多个相互纠缠的量子比特了。
　　这个问题可以追溯到我们目前正在经历的 NISQ 时代（记住，嘈杂的中尺度量子）。尽管我们发现量子计算机在其系统中吹捧了数十个量子位，但实际上只有少数（3-5 个）被用于有用的计算。
　　剩余的量子位主要用于在我们试图在量子级别控制的嘈杂环境中进行纠错。尽管存在粒子级噪声，当前的研究大量投资于试图正确控制量子态，而这样做极具挑战性。
　　量子计算机的用处
　　量子物理学为一个充满可能性的全新世界打开了大门。也就是说，从根本上理解量子力学的工作原理以及如何控制和利用它来设计量子计算机是一个完全不同的挑战。
　　偏光眼镜中的量子物理学
　　但是让我们假设我们拥有完全控制量子粒子进行计算的技术能力，并且噪音不是问题。在这样的世界里，量子计算能让我们做什么经典计算机做不到的事情？从技术上讲，哪些算法赋予我们超越经典算法的量子优势？
　　Shor 算法和 Grover 算法
　　鼓励对量子计算研究进行大量投资的最著名的量子算法是用于整数分解的 Shor 算法和用于搜索的 Grover 算法。
　　Shor 的算法解决了这个问题，＂给定一个整数，找出它的所有质因数。＂ 整数分解是许多加密函数的核心，特别是因为求解大数所需的计算复杂性。量子算法是成倍比最好的经典版本速度更快，它通过利用量子纠缠和叠加的上述性能这样做。就现实世界的后果而言，这可能会有效地破坏我们如今在许多应用中所依赖的加密安全性（如果量子计算机落入坏人之手）。
　　Grover 算法同样优于经典搜索算法。虽然大多数经典算法需要在搜索操作期间至少＂看到＂大多数对象，但 Grover 算法可以通过仅观察所有对象的平方根来以非常高的概率完成其搜索。由于搜索是许多算法的核心，格罗弗算法可以彻底改变科学计算的格局并加速许多问题领域的发现。
　　对于量子霸权的一个令人难以置信的例子，如果我们可以将 Shor 算法的强大功能与 Grover 算法结合起来会怎样？如果我们想破解一个 N 位密码，经典机器需要按顺序尝试所有可能的密码组合，直到正确的组合才能解锁系统（因此我们目前享受的密码强度）。然而，在 N 量子位系统中，我们的量子机器理论上可以同时探索所有这些组合（谢谢，叠加！）。随后，我们可以使用 Grover 算法筛选所有这些组合（＂快速＂是轻描淡写），并以非常高的概率告诉我们哪个位序列将破解密码。
　　量子计算专家用5个难度级别解释一个概念
　　破解密码功能并不是量子计算机的唯一用例（尽管非常流行）。使用量子计算机，我们还可以设计更安全的通信通道。正如潘建伟博士所表明的那样，我们可以利用纠缠的特性来揭示我们是否在量子系统中被窥探。由于纠缠的粒子必须表现出相同的行为，因此截获的数据传输将本质上改变一个粒子的属性并打破纠缠。这种技术已经在探索用于银行和数据公司，以帮助保护他们的基础设施，我们只能推测＂量子互联网＂可能是如何设计的。
　　然而，这些应用程序和算法距离实现还有几十年的时间，因为这样的系统需要实现许多可靠的量子位。目前，科学家和研究人员专注于近期的 NISQ 算法，该算法可以在嘈杂的系统中展示量子霸权。变分量子特征求解器 (VQE) 和量子近似优化算法 (QAOA) 等算法是说明量子计算近期潜力的主要候选算法。
　　在经典计算时代设计未来量子算法的一个直接后果是，研究人员正在发现经典算法的更多改进版本。这个重要的反馈回路将使我们能够继续在科学领域取得现代成功，直到设计出大规模量子处理器并广泛可用。
　　未来的挑战
　　量子计算确实是一个跨领域的领域，需要多维度的创新。回顾经典计算的早期，硬件技术经历了多次迭代和探索，直到业界将 CMOS 晶体管确定为集成电路中的实际构建块。类似地，设计一个量子位和量子系统（即使用什么原子粒子、如何进行计算的量子转换以及如何测量系统）是一个活跃的研究领域。
　　后 NISQ 时代的另一大挑战是降噪。量子退相干确实限制了量子计算的高天花板。了解如何在硬件和软件方面构建可靠的系统让人想起 1960 年代和 1970 年代，当时经典计算资源稀缺且不可靠。在量子水平上这样做是一个全新的挑战。
　　英特尔的 Tangle Lake 49-qubit 量子处理器
　　构建端到端系统（例如我们今天喜欢的用于计算、娱乐和科学发现的系统）是量子处理的最终成功指标。我们如何在高度进化的计算环境中整合量子处理器？允许人类对自然的基本物理位进行编程的库、API、编译器和其他系统工具在哪里？
　　更紧迫的是：量子计算机的潜在应用和后果是什么，它将如何改变我们生活的世界以及我们如何与之互动？
　　在我们的量子计算解释器的第 2 部分中，我们将深入探讨当前量子计算系统的设计。讲完量子力学的基础知识，下一步将是漫步于如何设计量子电路、微体系结构和 NISQ 时代的编程环境。