量子计算使用量子物理学的物理特性来操纵亚原子粒子来执行计算。该技术堆栈包括专门的量子硬件，通常具有超导体和超流体，以及编译量子算法以在特定量子计算机上运行的专用固件。
对量子计算的研究始于 1980 年代。近几十年来，随着IBM、谷歌和微软等主要参与者与数十家国内和国际初创公司竞争开发量子计算机，我们看到对该领域的兴趣和投资激增。
量子计算的核心是利用叠加和纠缠等量子力学特性。这些行为定义了亚原子粒子看似奇怪的行为，例如能够同时存在于多种状态中，并且无论距离如何，都将两个独立事物的行为相关联。
该领域的一个重要里程碑出现在2019年，当时谷歌和美国宇航局的共同努力通过在量子计算机上在几秒钟内运行计算，实现了它声称的量子霸权。这种计算将花费世界上最大的超级计算机数千年的时间。简而言之，计算涉及生成一个真正的随机数。
尽管取得了这些成功，并且量子计算机有望解决传统计算机难以解决的问题，但在我们看到这项技术大规模采用之前，仍有许多问题需要克服。
纠错仍然很困难，使得计算有时不可靠。量子硬件还需要优化的环境，许多量子处理器只能在绝对零度（-273°C）或附近运行，在没有大气压的情况下运行，并且完全与地球磁场绝缘。检索量子结果也可能损坏数据。
经典计算机和量子计算机有什么区别？
在基本层面上，区别在于每台计算机如何处理逻辑。传统计算机使用比特：1 或 0，是或否，真或假。电流要么流过电路，要么不流过电路。
另一方面，量子计算机具有量子比特（发音为提示比特）。由于叠加的量子特性，量子比特可以保持无限势态。它可以是 0、1 或两者的任意组合。这种叠加的确切组成取决于测量时它在其中一种或另一种的可能性。
请记住，量子叠加态在测量时会崩溃，导致量子比特表现为单个定义的状态。在阅读之前保持歧义的能力对量子计算来说既是一种力量，也是一种挑战。
在硬件中，量子比特对应于电子的自旋（上/下/两者）或单个光子的偏振（垂直/水平/两者）。
量子比特使量子计算机成为复杂多维问题的理想选择，这些问题无法用常规比特解决。例如，为了解决具有许多变量和排列的问题，普通计算机必须“蛮力”通过每种可能的场景来找到解决方案（想想加密挖掘）。量子计算机利用叠加来同时执行数百万次计算。
比特与量子比特区别的另一个相关性是这些机器如何扩展。传统计算机随着比特数量的增加而线性扩展。另一方面，量子比特呈指数级扩展。
不同的操作环境
退后一步，看看机器本身，另一个主要区别是操作环境。虽然传统计算机可以在各种条件下运行，通常只需要基本的风扇来保持冷却，但量子机器只能在需要昂贵的高科技设备的非常特定的条件下工作。
此外，与普通计算机不同，量子计算机没有RAM，存储或构成传统设备的任何其他组件。至少在目前的技术状态下，它们是独立的量子处理器，需要传统计算机来补充其缺失的功能。
最终，量子计算机擅长解决某一类问题。将它们用于我们今天使用计算机的许多任务是不可行或不现实的，例如访问和阅读本白皮书。
因此，量子计算机不太可能取代传统计算机。更有可能的是，量子计算机将与经典计算机结合使用，即使量子计算机大规模可用。
关于经典计算机和量子计算机之间区别的关键要点
- 量子计算机使用量子比特，可以是 0、1 或两者兼而有之。
- 量子计算机不会取代传统计算机。
- 他们擅长解决涉及高度复杂性的棘手问题。
- 仍有许多挑战需要克服。
- 世界各地的研究人员继续在量子技术方面取得突破。
量子计算架构内部
量子计算机是复杂的机器，需要许多工程、科学和数学学科的专业知识。让我们来了解一下这种复杂性，让您了解当今最先进的量子设备的架构。
有多种类型的量子计算机架构处于不同的发展阶段。这些包括离子阱和中性原子计算机 - 但出于本文的目的，我们将专注于超导电路量子计算机。
超导量子计算机是最普遍的类型，主要是因为这种架构是由谷歌和IBM等行业巨头开发的。
超导电路和量子门
这些计算机的核心是使用超导电路在由铌或超导铝制成的芯片上创建“人造量子位”。
超导性是一组特性，包括消除所有电阻和磁通场，这意味着电流可以无限期地流过它。这很重要，因为电阻会耗散能量并破坏量子信息。
然而，为了实现这一目标，超导体需要冷却到几乎略高于绝对零度的临界温度。超导量子计算机实际上比外太空更冷。
放大量子处理器本身，每个量子比特都是一个LC电路，其中包括一个电容器和一个电感器。这产生了一个谐振器，然后研究人员可以调整它，使其表现得像具有两个量子能级的原子。通过这种方式，他们可以操纵和读取量子比特的状态。
这个量子处理器位于一个设计复杂的“枝形吊灯”的底部，该吊灯主要是一个稀释冰箱，混合氦-3和氦-4，将处理器冷却到0.015开尔文。
一旦他们有了量子比特，他们就可以通过量子门应用逻辑门的概念。这些描述了应用门后一个或多个量子比特的转换，它们类似于经典计算逻辑，如 AND 和 OR。
周围的量子硬件
量子处理器可能是其他一切服务的有效载荷，但实现它的硬件工程同样令人震惊。
在枝形吊灯内，镀金黄铜移动冷却液以形成稀释冰箱。同时，电缆发送微波信号，这些信号使用低能量脉冲向处理器发送命令并从量子比特读取数据。量子放大器和量子比特信号放大器也朝着这个目标工作。
在枝形吊灯的底部是低温恒温器，用于保护量子处理器免受电磁辐射。即使是最小的干扰也会破坏高度敏感的超导电路。
围绕整个组件的外壳同样重要。例如，在IBM的System One中，有一个九乘九英尺的半英寸厚的硼硅酸盐玻璃外壳，形成气密密封。这使得组件能够保持在真空和接近绝对零度的温度下。
当然，还有位于组件本身外部的控制电子设备，但对于管理从冷却过程到控制管理数据输入和输出的微波频率的所有内容都是不可或缺的。
最后，量子计算机还必须连接到至少一台处理控制和测量的传统计算机。这台计算机还可以作为通往云的网关，这是大多数最终用户最终与量子计算机交互的方式。
量子固件和软件
与传统计算机中的固件类似，它将0和1的机器语言抽象为汇编语言，而汇编语言又被进一步抽象，量子固件包括指示如何操作物理硬件的协议。
这些抽象层提高了稳定性，减少了错误并增加了容错能力。例如，由于量子纠错非常具有挑战性，量子固件通常使用许多物理量子比特（有时数量超过1，000）来创建更耐错的单个“逻辑量子比特”。
量子固件架构非常复杂，仍在进行中。目前，没有类似于Windows或Linux的量子操作系统。
固件/软件堆栈还支持量子控制，它定义了经典世界如何与量子设备交互。例如，它允许程序员使用我们上面讨论的量子门执行量子算法。
软件堆栈的最顶端是量子即服务 （QaaS）。以IBM的量子计算机为例，用户可以使用IBM的开源Qiskit SDK编写代码，与云上的量子机器进行交互。最终结果是，来自世界任何地方的程序员都可以编写Python代码来与量子机器进行交互。
深入了解量子计算的关键要点
- 量子计算机是工程奇迹，需要数千个复杂设计的组件。
- 超导电路计算机是最普遍的体系结构。
- 量子处理器需要极其苛刻的操作条件。
- 经典计算机是运行量子计算机的每个部分不可或缺的一部分。
- 量子固件/软件与硬件一样重要和复杂。
- 程序员可以编写Python代码来运行量子算法。
量子计算的优势是什么？
量子计算的主要优点是能够处理复杂的问题解决。通过利用叠加的量子特性，量子比特可以存在于无限但包含的状态中：0、1 或两者的任意组合。虽然这给研究人员带来了许多挑战，但与传统计算机相比，它也导致了量子计算机的一些明显优势。
量子计算机擅长解决对于最强大的超级计算机来说太大、太复杂或太笨重的问题。这些问题往往涉及许多变量、排列和不确定性。
例如，在 2019 年，谷歌和美国宇航局通过运行计算来生成一个真正的随机数，这需要超级计算机数千年的时间，从而声称量子霸权。量子计算机以几秒钟的方式管理任务。
除了更快地解决这些问题外，从能源使用和碳排放的角度来看，量子计算机的效率也更高。虽然传统计算机必须使用大量电力来暴力破解可能的解决方案，但量子计算机利用量子比特的特性来简化计算过程。
量子计算机的另一个优点是它们在获得量子比特时比传统计算机扩展得更快。虽然传统计算机是线性扩展的——这意味着 200 位是 100 位的两倍——但量子计算机呈指数级扩展。由于200量子位的机器比100量子位的计算机强大许多数量级，如果我们目睹计算能力的指数爆炸，量子计算可能会迫使我们重新思考摩尔定律。
这些优势并不意味着量子计算机将取代经典计算机，特别是对于网页浏览或更简单计算等常规任务。量子计算的优势在处理复杂性时大放异彩，因此我们希望看到它们针对这些特定用例增强传统计算机。
量子计算的实际优势是什么？
量子计算机的核心是操纵亚原子粒子，使其成为原子和分子尺度研究和开发的理想选择。
“它可以帮助我们解决量子机器和材料或特性的相互关系很重要的物理问题，”惠普企业高级副总裁兼首席技术官兼惠普实验室主任马克波特在2019年底接受ITPro采访时解释说。“在原子水平上，量子计算模拟自然，因此可以帮助我们找到新材料或识别新的化合物以进行药物发现。
量子技术也对物流管理和路线规划产生了巨大的影响。例如，杂货连锁店Save-On-Foods正在使用量子计算来优化其物流，以提高效率，节省资金并为客户提供新鲜食品。具体来说，该公司能够将优化任务的计算时间从 25 小时减少到仅 2 分钟。
另一个主要感兴趣的领域是量子密码学，这取决于你问谁，它要么是一个主要优势，要么是一个令人担忧的原因。当今的加密标准的工作原理是解决某些类型的数学问题（如因式分解）以及计算椭圆曲线离散对数的复杂性。量子计算机可以轻松有效地解决这些问题，使大型量子计算机的出现成为一个主要的网络安全问题。
美国国家标准与技术研究院（NIST）正在开展一项后量子密码学标准化计划，以开发比今天广泛使用的密码学更强大的抗量子密码学。这也是量子技术成为地缘政治问题的主要原因，特别是美国和中国竞相开发量子技术。
最后，量子计算可以为下一代人工智能（AI）的发展提供动力。处理复杂性和保持开放的可能性是现状机器学习（ML）的明显优势，它通常受到其有限的范围以及无法适应新情况或泛化而受到阻碍。
虽然是推测性的，但量子计算机有可能成为导致通用人工智能（AGI）发展的使能技术。
关于量子计算机优势的关键要点
- 量子计算机擅长解决复杂的问题。
- 量子比特的独特属性使它们比传统计算机更快、更有效地解决某些类别的问题。
- 量子技术对材料科学、药物研究、亚原子物理和物流具有优势。
- 注意量子计算将在未来几十年对人工智能产生重大影响。
量子计算的缺点是什么？
量子计算是一项新兴技术，具有解决复杂问题的巨大潜力，因为它有效地应用了量子力学的特性，如叠加和纠缠。
但是，与任何技术一样，也有缺点。对于量子计算来说，这些缺点分为两类：世界各地的研究人员都在竞相解决的技术挑战，以及一旦大规模实施量子计算可能出现的潜在不良后果。
开发和实施量子计算的技术挑战
尽管经典计算机和量子计算机之间存在所有差异，但量子技术的最新技术与 1950 年代的早期计算机相似。它们是大型、昂贵的机器，很难与之交互。只有高级学者和研究人员知道如何使用它们（即编写算法），只有大型组织才能负担得起使用它们的费用。
就像经典计算的早期一样，纠错是当今量子计算的主要痛点。量子计算机对噪声敏感，难以校准。与经历从0到1的位翻转或反之亦然的传统计算机不同，量子错误更难纠正，因为量子比特可以采用无限数量的状态。
使量子纠错进一步复杂化的是量子力学特性，当我们进行测量时，它会坍缩叠加态——想想薛定谔的猫。简而言之，读取量子比特会导致它表现为 0 或 1。
然而，由于量子计算机的能力在于其通过叠加“保持开放可能性”的能力，因此出于纠错目的而读取根本不是一种选择。研究人员正在研究在不直接测量状态的情况下间接检索量子纠错信息的方法。
因为你需要能够相信你的输出对量子计算机有用，所以纠错的挑战是行业需要克服的最大缺点。
等式的另一部分是量子硬件及其环境的物理方面。保存和操纵亚原子粒子的量子态的困难首先是造成错误的主要原因，这使得这一缺点成为采用的症结所在。
由于量子计算机需要将原子减慢到接近静止的速度，因此它们的处理器必须保持在绝对零度（-273°C）或附近。即使是最微小的波动也会导致不必要的运动，因此确保它们没有大气压力并且与地球磁场绝缘同样重要。
这些缺点意味着量子计算机在很大程度上仍然局限于实验室。然而，当我们以经典计算硬件发展的轨迹为类比时，克服这些挑战远非不可能。
量子计算的意外后果
撇开工程困难不谈，量子计算可能会产生更大的问题。同样，传统计算提供了一个很好的参考框架：尽管我们从计算机中获得的所有优势，但不可否认的是，它们也造成了问题。
主要关注的是网络安全，尤其是在大规模量子采用的情况下。量子计算机可以轻松破解当今最好的加密技术。这意味着，特别是从地缘政治的角度来看，谁先到达那里，谁将拥有重大优势。
为此，拜登总统最近签署了《量子计算网络安全准备法案》，该法案指示管理和预算办公室 （OMB） 根据美国国家标准与技术研究院 （NIST） 发布的标准迁移到后量子密码学。
然而，每个组织都不太可能能够足够快地适应。这可能会为前所未有的漏洞打开大门，在最坏的情况下，可能会对关键基础设施进行网络攻击。
一个不那么紧迫但仍然令人担忧的缺点是量子技术可能对人工智能产生的影响。由于量子计算擅长解决涉及大量变量的复杂问题，因此它具有实现下一代高级人工智能的巨大潜力。
就像量子计算本身一样，先进的人工智能也有巨大的好处。与此同时，人工智能可以使虚假信息的传播成为可能，例如通过生成更有说服力的深度伪造。人工智能也可用于监视和操纵，用量子计算为其提供动力可以进一步扩展这些功能。
关于量子计算缺点的关键要点
- 量子纠错和环境灵敏度是主要挑战。
- 后量子密码学是一个国家安全问题。
- 量子驱动的人工智能可能会产生意想不到的后果。
结论：量子计算将补充经典计算
量子计算使用量子物理学来操纵亚原子粒子以进行计算。基本上，虽然经典计算机使用二进制位：1 或 0，是或否，真或假;量子计算机使用的量子比特可以是 0、1 或两者的任意组合。
虽然量子计算的缺点和复杂性目前阻碍了它在学术和研究领域之外的广泛采用，但这些问题并非不可克服。一旦解决，量子计算就有可能解决即使是最强大的超级计算机来说太大、太复杂或太笨重的问题。量子计算正在解决的这些问题通常涉及许多变量、排列和不确定性，可能会彻底改变我们的现代供应链，为人类疾病创造新的生物疗法，并将人工智能提升到一个全新的水平。
与此同时，量子计算不会取代日常需求的经典计算。