量子計算的需求，承諾和現實
儘管給我們帶來了人類歷史上最壯觀的技術創新浪潮，但是某些數字革命似乎仍無法解決的計算問題。 其中一些問題可能阻礙了關鍵的科學突破，甚至阻礙了全球經濟。 儘管傳統的計算機在過去幾十年中已經將功率和處理速度每兩年提高一倍，但它們似乎仍無法進一步解決這些持久性問題。 想知道為什麼嗎？ 詢問任何計算機科學家，他們可能會給您相同的答案：當今的數字傳統計算機是建立在經典的，非常有限的計算模型上的。 從長遠來看，為了有效解決世界上最持久的計算問題，我們將不得不轉向一種全新的，功能更強大的傢伙：量子計算機。
最終，經典計算機和量子計算機之間的區別不像舊汽車和新汽車之間的區別。 相反，這就像是馬與鷹之間的區別：一個人可以奔跑，另一個可以飛翔。 古典計算機和量子計算機確實有很大的不同。 在這裡，我們很好地瞭解了關鍵區別所在，並深入探究了量子計算機的獨特之處。 但是，您在這裡找不到關於量子計算機最終如何發揮其魔力的最終解釋。 因為沒有人真正知道。
經典計算的硬性限制
摩爾定律，什莫爾定律
幾十年來，常規計算機的絕對速度和計算能力每兩年翻一番（據稱僅有18個月）。 這就是摩爾定律。 儘管突破性的進步步伐可能最終已經開始開始緩慢放緩，但如今充滿空間的超級計算機還是明天的預算筆記本電腦還是有一定道理的。 因此，以這種速度，可以合理地假設，沒有可預見的將來傳統計算機最終無法解決的計算任務。 儘管如此，除非我們要談論數萬億年（然後是數年）的時間，否則對於某些棘手的任務來說，這絕對不是一個安全的假設。
傳統計算機的致命弱點
事實是，即使是將來最快的常規計算機，諸如快速找到非常大的整數的素數之類的計算任務也可能無法實現。 其背後的原因是，找到一個數字的主要因素是一個具有指數增長的函數。 指數增長是多少？ 好吧，讓我們深入研究它，因為這對於理解為何量子計算機具有如此巨大的潛力以及為何傳統計算機不足的一環非常重要。
快速介紹指數增長
隨著您擁有的"事物"數量的增長，某些事物以一致的速度增長，而某些事物則以更快的速度增長。 當增長相對於增長的總數變得更快（不是恆定）時，它就是指數的。
指數增長非常強大。 指數增長的最重要特徵之一是，儘管它起步緩慢，但卻可以相當迅速地產生大量數量，而這往往令人震驚。
如果沒有示例，可能很難理解這個定義，因此讓我們快速講一個故事。
有一個傳說，國王向國王授予獎勵，一個智者要求統治者通過在棋盤的第一個正方形上放一粒米，在第二個正方形上放兩粒，在第二個正方形上放四粒來獎勵他。 第三等等。 每個正方形的穀物數量是前一個正方形的兩倍。 國王答應了他的要求，但很快就意識到，裝滿棋盤所需的米飯已超過整個王國的存亡，這將使他的財產全部耗費。
米粒的指數增長：
任何正方形上的晶粒數均反映以下規則或公式：
在該公式中，k為平方數，N為該平方上的米粒數。
· 如果k = 1（第一個平方），則N =2⁰，等於1。
· 如果k = 5（第五個平方），則N =2⁴，等於16。
這是指數增長，因為指數（即冪）隨著我們從正方形到正方形的增加而增加。
為了進一步概念化，我提供了一個圖表，該圖表顯示了與指數函數的輸入量有關的指數增長。
如您所見，該函數的啟動速度相對較慢，但很快就達到了經典計算機無法使用足夠大的輸入大小進行計算的數量。
真實的指數函數具有真實的後果
好吧，足夠講故事了。 讓我們繼續前進到現實世界中的指數問題，就像我們之前討論的那樣。 素數分解。
以數字51為例。看看您需要花費多長時間才能找到兩個唯一的質數，可以將它們相乘以生成它。 如果您熟悉這些類型的問題，可能只花了幾秒鐘即可發現3和17，這兩個素數都生成51。事實證明，這看似簡單的過程是數字經濟的核心 並且是我們最安全的加密類型的基礎。 我們在加密中使用此技術的原因是，隨著素數分解中使用的數字越來越大，常規計算機對其進行分解變得越來越困難。 一旦達到一定數量的數字，您就會發現甚至需要最快的傳統計算機月份，年份，世紀，幾千年甚至幾千億年才能考慮它。
考慮到這一想法，即使在可預見的未來（即使不打賭），計算機的處理能力每兩年繼續增加一倍，它們也始終會因素分解而苦苦掙扎。 現代科學和數學中心的其他同樣頑固的問題包括某些分子建模和數學優化問題，這些問題可能會使任何敢於靠近它們的超級計算機崩潰。
下面是IBM Research的一個很好的說明，它顯示了我們可以在世界上功能最強大的超級計算機上模擬的最複雜的分子（F簇）。 如您所見（在圖像的左下方），該分子根本不是非常複雜，如果我們想對更復雜的分子建模，以發現更好的藥物治療並瞭解我們的生物學，那麼我們將需要一種不同的方法！
Molecular Simulation Problem. Source: IBM Research
進入量子計算機
常規計算機是嚴格數字化的，並且僅依賴於經典計算原理和屬性。 另一方面，量子計算機嚴格來說是量子。 因此，他們依靠量子原理和性質-最重要的是疊加和糾纏-來解決似乎不可逾越的問題，而它們幾乎達到了奇蹟般的能力。
疊加
為了理解疊加的概念，讓我們考慮最簡單的系統：一個兩態系統。 普通的經典兩態系統就像一個On / Off開關，始終處於一種狀態（On）或另一種狀態（Off）。 但是二態量子系統完全是另外一回事。 當然，每當測量其狀態時，都會發現它確實處於打開或關閉狀態，就像經典系統一樣。 但是在兩次測量之間，一個量子系統可能同時處於開態和關態的疊加狀態，這在我們看來似乎是多麼反直覺甚至是超自然的。
Superposition. Source: IBM Research
一般來說，物理學家認為，在測量之前談論量子系統的狀態（例如自旋）是沒有意義的。 甚至有人認為，測量量子系統的行為會使它從模糊的不確定狀態崩潰為您測量的值（開或關，上或下）。 儘管可能無法想象，但無法避免的事實是，這種神秘現象不僅是真實的，而且還帶來了解決問題能力的新維度，為量子計算機鋪平了道路。 牢記疊加的想法。 我們將稍微回到量子計算中如何使用它。
甚至如何可能進行疊加都超出了本文的範圍，但是請相信它已被證明是正確的。 如果您想了解導致疊加的原因，那麼您首先需要了解Wave / Particle Duality（波/粒子對偶）的概念。
糾纏
好的，接下來我們要利用量子力學的下一個特性來創建量子計算機。
眾所周知，一旦兩個量子系統互相作用，它們將成為無可救藥的夥伴。 從那時起，無論兩個系統之間的距離有多遠，一個系統的狀態都將為您提供有關另一個系統狀態的精確信息。 嚴重地，這兩個系統相距僅數年之遙，但仍然可以為您提供彼此的精確且即時的信息。 讓我們用一個具體的例子來說明這一點，因為這甚至使愛因斯坦都對如何做到這一點感到困惑。 （愛因斯坦將這種現象稱為"遠處的怪異動作"）
Quantum Entanglement. Source: IBM Research
假設您有兩個電子，A和B。一旦它們以正確的方式相互作用，它們的自旋將自動糾纏。從那時起，如果A的旋轉向上，則B的旋轉將向下，就像蹺蹺板上的兩個孩子一樣，不同之處在於即使您將A和B帶到地球（或星系）的相對兩端，也是如此。儘管它們之間相距數千英里（或光年），但事實證明，如果您測量A向上旋轉，您將立即知道B的向下旋轉。但是，等等：我們已經瞭解到，這些系統沒有精確的狀態值，例如旋轉，而是在測量之前以暗淡的疊加形式存在。那麼，即使兩者相隔數光年，我們的測量值A會導致B瞬間崩潰到相反的值嗎？如果是這樣，那麼我們手上還有另一個問題，因為愛因斯坦告訴我們，兩個系統之間沒有因果關係（例如光信號）傳播的速度快於光速。那有什麼呢？總而言之，我們真的不知道。我們所知道的是，量子糾纏是真實的，您可以利用它來創造奇蹟。
量子位
量子位在量子計算中的作用與經典計算中的位相同：它是信息的基本單位。 但是，與qubit相比，有點無聊。 儘管位和量子位都生成兩個狀態（0或1）之一作為計算結果，但在該結果之前，量子位可以同時處於0和1狀態。 如果這聽起來像是量子疊加，那就是。 量子比特是卓越的量子系統。
就像傳統的計算機是通過打開或關閉的晶體管一點一點地構建起來的一樣，量子計算機是通過量子位以量子位來構建的，而電子的自旋態是向上或向下的（當然要測量一次）。 正如處於開/關狀態的晶體管串在一起以形成在數字計算機中執行經典計算的邏輯門一樣，處於上/下自旋狀態的電子也串在一起以形成在量子計算機中執行量子計算的量子門。 然而，將各個電子串在一起（同時保持其自旋狀態）遠比說起來容易，容易得多。
Quantum Algorithms. Source: IBM Research
我們今天在哪裡？
儘管英特爾正忙於向每個芯片中注入數十億個晶體管的常規芯片，但全球領先的實驗計算機科學家仍在努力構建具有少數量子位的量子計算機"芯片"。 只是為了讓您瞭解我們在量子計算歷史上還處於多早，最近IBM推出了世界上最大的量子計算機，令人驚訝的……等待著……50量子比特，這很重要。 但是，這是一個開始，如果像摩爾定律這樣的事情適用於量子計算機，那麼我們應該在幾年內進入數百個，而在接下來的幾千個內。 十億？ 我不會屏住呼吸，但是再說一遍，您不需要十億個量子位就可以在某些關鍵類別上勝過常規計算機，例如主要分類，分子建模和一系列優化問題，這是常規操作無法比擬的。 今天計算機可以觸摸。
2018年的量子計算機
到目前為止，幾乎所有量子計算機都是一個耗資數百萬美元的瘋狂科學家計劃，看起來很重要。 通常，您可以在IBM等大型IT公司的研發部門或MIT等大型研究型大學的實驗物理部門中找到它們。 必須將它們過冷至絕對零以上的頭髮（這比星際空間要冷），並且實驗人員需要使用精確頻率的微波分別與計算機中的每個量子位通信。 不用說，這不會擴展。 但是，最早的傳統計算機的真空管也沒有，因此，我們不要過於苛刻地判斷第一代真空管。
等待突破的障礙
量子計算機尚未成為主流的主要原因是，世界上最聰明的人和發明家仍在努力提高錯誤率和減少量子位數量。 當我們一起解決這兩個問題時，我們將迅速增加IBM稱之為每臺計算機的"量子量"，這是一種可視化量子計算機可執行的有用計算數量的方法。
Quantum Volume. Source: IBM Research
簡而言之，要使量子計算騰飛起來並讓具有量子動力的Macbook開始流行，我們需要更多的量子位和更少的錯誤。 這將需要時間，但是至少我們知道我們的目標是什麼，我們要面對的是什麼。
神話與解釋
儘管我們知道量子計算機可以輕鬆地完成傳統計算機無法企及的事情，但我們並不真正知道它們是如何做到的。如果這聽起來令人驚訝，那麼考慮到已經存在第一代量子計算機，請記住"量子"一詞。一百年來，我們一直在使用量子力學來解決問題，但我們仍不十分了解它的工作原理。量子計算作為量子家族的一員，在同一條船上。邁克爾·尼爾森（Michael Nielsen）（基本上是撰寫有關該主題的書的作者）令人信服地指出，對量子計算的任何解釋都註定會錯過這個分數。畢竟，根據尼爾森（Nielsen）的說法，如果對量子計算機的工作原理有一個簡單的解釋（即您可以看到的東西），那麼就可以在傳統計算機上對其進行仿真。但是，如果可以在常規計算機上對其進行仿真，那麼它就不可能是量子計算機的精確模型，因為從定義上說，量子計算機可以完成常規計算機無法完成的工作。
根據尼爾森的說法，假裝解釋量子計算的最流行的神話稱為量子並行性。因為您將聽到很多關於量子並行性的故事，所以讓我們看一下。量子並行性背後的基本思想是，量子計算機與傳統的並行計算機不同，它同時（即在一次操作中）探索可能的計算結果/解決方案的全部範圍，而數字計算機必須順著腳步前進，依次查看每個解決方案。根據尼爾森（Nielsen）的說法，量子並行性故事的這一部分大致正確。但是，他尖銳地批評了故事的其餘部分，並繼續說，在調查了所有解決方案之後，量子計算機會挑選出最好的解決方案。根據尼爾森的說法，現在這是一個神話。他堅持認為，事實是，像所有量子系統一樣，量子計算機真正在幕後所做的事情完全超出了我們的能力範圍。我們看到了輸入，輸出以及兩者之間發生的一切，這些都是神秘的。
(本文翻譯自Jason Roell的文章《The Need, Promise, and Reality of Quantum Computing》，參考：https://towardsdatascience.com/the-need-promise-and-reality-of-quantum-computing-4264ce15c6c0)
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