即将到来的量子计算：工程师的视角

埃德·布朗

在我们庆祝 2025 年国际量子科学技术年之际，我开始思考量子力学在计算机、传感器和密码学中的实际应用。而且我发现从工程师的角度思考这些事情是相当具有挑战性的。

如果因“量子电动力学”工作而获得诺贝尔奖的理查德·费曼（Richard Feynman）认为没有人真正理解量子力学，那么如今怎么会有这么多人谈论量子计算机将成为下一个重大事件？另一方面，费曼本人在 1982 年阐述了量子计算机的理论基础，当时他说“为了准确地模拟一个量子系统，科学家需要构建另一个量子系统。”另一个系统就是我们现在所说的量子计算机。

例如，根据技术简报上的一篇文章 网站称，到 2030 年，量子计算领域预计将达到 650 亿美元。在另一篇文章中，我们读到，“量子计算机有潜力解决人类健康、药物发现和人工智能等复杂问题，速度比世界上一些最快的超级计算机快数百万倍。”

更让我困惑的是，我了解到“量子计算机的答案是从概率分布中得出的。量子计算机不会为您提供答案的具体值。它们所做的是告诉您可能性 “只有某个值才是正确的解决方案”——他们的答案是“模糊的”。“不幸的是，仅运行一次量子算法是不够的。为了尽可能接近“正确”答案，计算机科学家多次运行这些计算。每个样本都会减少不确定性。计算机可能需要运行算法数千次，甚至更多次，才能尽可能接近最准确的分布。”但也有一个好处：“量子计算机运行这些算法的速度如此之快，以至于它们仍然有可能比传统算法更快地产生结果。”

好吧，我可以接受使用量子力学的想法，但没有真正深入理解它，但我在使用量子计算机的仅是概率的答案时遇到了一些真正的困难。作为一名工程师，我习惯于为现实问题寻找固定的、可行的解决方案，而不是寻找答案，例如，当我按下电梯按钮时，电梯可能 来我的楼层吧。

在担任 EE 数十年之后，SAE Media Group 的 Ed Brown 即将进入他的第二个职业：技术编辑。

“我意识到，回顾我的工程生涯，并观看作为编辑的所有最新和最伟大的内容，根据我的工程经验，我对现在正在发生的事情有很多想法，我现在想分享其中一些。”

我遇到的对量子计算最好的描述之一是美国国家标准与技术研究所 (NIST) 物理学家塔拉·福蒂尔 (Tara Fortier) 的说法：“5 个概念可以帮助您了解量子力学和技术 - 无需数学！”她解释说，虽然“模糊性”是量子计算的一个基本特征，但这并不是一个错误。 “经典物理控制着我们能看到的物体的运动，比如棒球和行星。量子物理是一个我们不容易看到的世界。如果说量子的任何部分与经典物理有本质上的不同，那就是量子尺度上的物理不仅是粒状的，而且是模糊的。”

但福蒂尔博士指出，自然本身是模糊的。当我们放大数字图像时，它是由单个像素组成的，这些像素似乎具有明确的边界。但是，“如果你能够放大构成像素的原子和亚原子粒子，你会发现亚原子粒子的定义并不明确——它们的边界和行为有些不清楚。这类似于用铅笔和尺子画一条“完美”的线。如果你用显微镜观察这条线，边缘看起来会比直的更不稳定。”

所以，我想你可以说量子计算机看待世界的方式比数字计算机更接近世界的真实情况，数字计算机只为我们提供了世界的样本。

但正如爱因斯坦所说，量子行为仍然令人毛骨悚然。

福蒂尔的文章确实使一些量子行为变得更容易理解，但对我来说仍然很难消化。例如，我从小就听说过：光既是一种波，又是一种粒子。有时它的行为方式是一种，就像光波给我们带来彩虹一样，但当光照射到太阳能电池板时，它的行为就像粒子一样。我很难理解这一点，但我可以放下疑虑，接受它在两方面都有用。

然后是“海森堡不确定性原理，它说测量行为会扰乱物体的量子态。”那么，如果你的测量干扰了量子粒子的状态，你如何才能让计算机基于量子粒子的状态呢？

但对我来说，最令人毛骨悚然的是量子纠缠——一个粒子的量子态与另一个粒子的态相关，无论它们彼此相距多远。因此，测量一个粒子会影响其伙伴的状态。然而，纠缠还有一个实际用途——安全加密密钥。

所有这些让我认为，开发实用的量子计算机需要的不仅仅是科学，工程师还必须接受使用他们无法真正理解的技术。