关于量子计算机的 22 个最有趣的事实 | 2021 版

Quantum 计算机不应该检查您的电子邮件、更新状态或执行正常的软件/硬件任务。相反，它们基于更复杂的东西——量子力学。

量子计算机处理远小于原子大小的粒子。在如此小的尺度上，物理规则没有任何意义。这是令人兴奋的事情开始发生的地方。粒子可以来回移动，甚至可以同时存在。这些类型的计算机可以提高计算能力，超出当今传统计算机所能达到的水平。

让我们详细说明我们目前对量子计算的了解。我们收集了一些有关量子计算机的有趣事实，它们会让您大吃一惊。

1.信息存储模式

我们今天使用的计算机以二进制格式存储数据——一系列 0 和 1'。内存的每个组成部分都称为一个位，可以通过布尔逻辑的步骤进行操作。

另一方面，量子计算机会将数据存储为“0”、“1”或两种状态的量子叠加。与二进制系统相比，这种量子位（也称为量子位）具有更大的灵活性。

量子位可以通过使用具有两种自旋状态的粒子来实现——“向上”和“向下”。这样的系统可以映射到有效的自旋1/2系统上。

2.炽热的速度

由于量子计算机中的数据不仅可以以 0 和 1 的状态存在，因此它们可以并行执行计算。让我们考虑一个简单的例子；如果量子位处于状态 0 和状态 1 的叠加状态，并且与处于类似叠加状态的另一个量子位进行计算，则会留下四个结果——0/1、0/0、1/0 和 1/1。

量子计算机在处于退相干状态时会显示上述结果，这种退相干状态会持续（处于叠加状态时），直到它坍缩为一种状态。同时执行多个任务的能力被称为量子并行。

3.重新定义安全

量子计算机的速度也是加密和密码学领域的一个严重问题。当今世界的金融安全系统基于对大量数字（RSA 或 DSA 算法）的分解，而在地球的生命周期内，传统计算机实际上无法破解这些数字。然而，量子计算机可以在合理的时间内分解这些数字。

另一方面，量子计算机将能够提供牢不可破的安全功能。它们可以使用更好的加密来锁定关键数据（例如在线交易、电子邮件帐户）。
已经为量子计算机开发了许多算法——最著名的是 Grover 算法（用于搜索非结构化数据库）和 Shor 算法（用于搜索非结构化数据库）分解大数）。

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4.省电

功耗是任何依靠电力运行的设备的关键因素。大量处理器需要大量电源来维持其性能。例如，世界上最快的超级计算机（Summit）耗电量为 13 MW。

然而，量子计算机让事情变得非常有趣。由于他们使用了量子隧穿，因此将功耗降低了 100 到 1000 倍。

5.另类现实

根据量子物理学，我们处理称为多重宇宙的东西，其中一个问题可能有许多或无限的可能解决方案。例如，您可能正在笔记本电脑上阅读这篇文章。在另一个世界中，您可能会在旅行时通过手机阅读本文。

量子计算机可以在“n”个平行宇宙中执行“n”个任务并得出结果。如果传统计算机在“n”秒内完成“n”次计算，那么量子计算机可以执行“n ^2' 在相同的时间内进行计算。

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您可能还记得 IBM 的深蓝是 1997 年第一台击败世界国际象棋冠军加里卡斯帕罗夫的计算机。该计算机通过每秒检查 2 亿次可能的移动来做到这一点。远非人脑的能力！但是，如果是量子机器，它会计算出每秒 1 万亿次移动，2 秒内 4 万亿次移动，3 秒内 9 万亿次移动。

6.为什么构建量子计算机如此困难

量子计算机的问题是稳定性。事实证明，干扰（任何类型的振动都会扰乱原子的振动）会产生胡言乱语的输出。量子力学中的电子表现得像波，并由波函数描述。这些波会相互干扰，导致量子粒子的奇怪行为，这就是所谓的退相干。

7.凉爽的温度

保持稳定状态以获得更好性能所需的温度应该非常低。为了让量子计算机工作，原子必须保持稳定。保持这些原子稳定的一种已知有效方法是将温度降低到零开尔文，这样原子在不放热的情况下变得稳定。

D-Wave 2000Q系统是目前最先进的量子计算机。它的超导处理器冷却到0.015开尔文（比星际空间冷180倍）。

8.解决问题的技巧

量子计算机可以运行经典算法；然而，为了获得有效的结果，他们使用看起来本质上是量子的算法或使用量子计算的某些特征，如量子纠缠或量子叠加。

不可判定的类问题在量子计算中仍然不可判定。量子算法的魅力在于它们能够比经典算法更快地解决问题。例如，他们可以在几秒钟内解决旅行商问题，而这在传统计算机中需要 30 分钟。

此外，量子计算机可以帮助发现遥远的行星，准确预测天气，更早地发现癌症，并通过分析 DNA 测序数据开发更有效的药物。

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9.人工智能游戏改变者

人工智能处于起步阶段。今天的先进机器人可以走进房间，识别材料、形状和移动的身体，但缺乏使它们真正智能的因素。量子计算机在信息处理领域要好得多——300 位，我们就可以绘制整个宇宙。

量子机器将能够以指数方式加快机器学习操作的速度，将时间从数十万年减少到几秒钟。

要测量两个 1 Zettabyte 大小的大向量之间的距离，具有 GHz 时钟频率的传统计算机将需要数十万年的时间。然而，在矢量与辅助量子位纠缠之后，GHz 时钟频率的量子计算机（如果将来会建造的话）只需一秒钟。

10.并非所有事情都可以快速完成

尽管量子计算机找到了解决问题的最佳方法，但它们依赖于您的个人计算机每天使用的一些基本数学原理。这是指已经优化好的基本算法。

没有比将一组数字相加更好的方法。在这种情况下，经典计算机与量子计算机一样有效。

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11。量子计算最新成果

新南威尔士大学的科学家于 2015 年开发了第一个使用硅的量子逻辑门。同年，美国宇航局公布了由 D-Wave 制造的第一台价值 1500 万美元的可操作量子计算机。

2016 年，马里兰大学的研究人员成功创建了第一台可重新编程的量子计算机。两个月后，巴塞尔大学指定了一种基于电子空穴的量子机器的变体，该机器在低温下在半导体中使用电子空穴（而不是操纵电子自旋），这样就不太容易退相干了。

2019 年，谷歌 AI 与 NASA 合作发表论文称他们已经实现了量子霸权——量子计算史上的一次突破。

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12。系统可用于模拟量子机器

量子计算最重要的应用之一是量子模拟器。它们允许对超级计算机无法建模且难以在实验室中研究的量子系统进行分析。

量子模拟器专门设计用于深入了解某些物理问题。它们可能由传统的可编程“数字”量子计算机构成，可以解决广泛的量子问题。

目前，量子模拟器已经在许多不同的实验平台上实现，包括俘获离子系统、极性分子系统、超冷量子气体系统、量子点系统和超导电路系统。

13。量子计算机编程语言

2020 年，研究人员开发了 Sliq：一种易于理解的量子计算机高级编程语言。

在量子计算中，开发人员通常必须处理一些令人沮丧的事情，例如导致代码混乱的低抽象级别、需要丢弃的临时值等等。

尽管一些量子语言试图解决这个问题，但它们的工作方式相对复杂。另一方面，Sliq 支持安全、自动的反计算，从而实现直观的语义。

一些更迷人的事实和发现

14. 理查德·费曼 (Richard Feynman) 于 1959 年在他著名的演讲“底部有足够的空间”中首次提到了量子计算。他认为操纵单个原子的可能性是合成化学的一种增强形式。

15. 世界上第一个量子密钥分发协议 BB84 是由 IBM 研究人员 Gillies Brassard 和 Charles Bennett 于 1984 年开发的。它是一种将私钥从一个点安全地发送到另一个点以用于一次性加密的技术。

16. 2018 年 2 月，物理学家提出了一种新形式的光，它涉及非线性量子介质中的三光子束缚态，可以推动量子计算革命。

17. 2018 年 3 月，由大学空间研究协会、美国宇航局和谷歌运营的量子人工智能实验室发布了一款名为 Bristlecone 的 72 量子比特处理器。

18. 量子计算的现实模型运行在量子算法上，可以根据它们解决的问题类型或它们使用的技术/想法进行分类。目前已有基于幅度放大、量子傅里叶变换和混合量子算法的算法。

19. 正在寻找几种不同的候选者来物理实现量子机器。其中，最受欢迎的是——

• 超导和俘获离子量子计算机
• 基于自旋和基于空间的量子点
• 基于钻石的量子计算机
• 腔量子电动力学
• 分子磁铁

20. 无法复制以量子状态编码的数据。如果你尝试读取这些数据，它的量子状态将会改变。该特征可用于识别量子密钥分发中的窃听行为。

21. 到目前为止，已有五家公司制造了量子芯片——谷歌 (Bristlecone)、IBM (IBM Experience and Q)、英特尔 (Tangle Lake)、Rigetti (19Q) 和 D-Wave (Ranier)。

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22. 2020 年，加州大学洛杉矶分校的一组研究人员创造了在量子计算机内无错误制备和测量量子位的新记录。更具体地说，他们实现了 0.03% 的准备和测量错误率。它将影响量子信息科学的几乎所有领域。