加州理工學(xué)院:什么是量子計(jì)算？
許多研究人員認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)將補(bǔ)充而不是取代我們的傳統(tǒng)技術(shù)。
我們?yōu)槭裁葱枰孔佑?jì)算機(jī)？
科學(xué)家和工程師預(yù)計(jì)，傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)際上無法解決的某些問題對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說將很容易解決。量子計(jì)算機(jī)也有望挑戰(zhàn)當(dāng)前的密碼學(xué)方法，并為完全私密的通信引入新的可能性。
量子計(jì)算機(jī)將幫助我們了解、建模和操縱其他量子系統(tǒng)。這種能力將提高我們對(duì)物理學(xué)的理解，并將影響在量子力學(xué)發(fā)揮作用的規(guī)模上設(shè)計(jì)的東西的設(shè)計(jì)，例如計(jì)算機(jī)芯片，通信設(shè)備，能源技術(shù)，科學(xué)儀器，傳感器，時(shí)鐘和材料。
正如人們可以設(shè)想今天很少使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)和相關(guān)技術(shù)在 1950 年代一樣，我們可能會(huì)對(duì)量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的應(yīng)用感到驚訝。
量子計(jì)算機(jī)如何工作？
量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)共享一些屬性。例如，這兩種類型的計(jì)算機(jī)通常都有芯片、電路和邏輯門。它們的操作由算法（本質(zhì)上是順序指令）指導(dǎo)，并且它們使用一和零的二進(jìn)制代碼來表示信息。
這兩種類型的計(jì)算機(jī)都使用物理對(duì)象對(duì)這些 1 和 0 進(jìn)行編碼。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，這些對(duì)象以兩種狀態(tài)編碼位（二進(jìn)制數(shù)字），例如，電流打開或關(guān)閉，磁鐵指向上方或向下。
量子計(jì)算機(jī)使用量子比特或量子比特，它們處理信息的方式非常不同。雖然經(jīng)典比特總是表示 1 或 0，但量子比特可以同時(shí)處于 1 和 0 的疊加態(tài)，直到測(cè)量其狀態(tài)。
此外，多個(gè)量子比特的狀態(tài)可以糾纏在一起，這意味著它們?cè)诹孔恿W(xué)上相互鏈接。疊加和糾纏賦予量子計(jì)算機(jī)經(jīng)典計(jì)算所不知道的功能。
量子比特可以通過操縱原子、稱為離子的帶電原子或電子，或通過納米工程所謂的人造原子（例如超導(dǎo)量子比特的電路）使用稱為光刻的打印方法制成。
了解更多：量子計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，來自加州理工學(xué)院量子信息與物質(zhì)研究所 [視頻]
量子計(jì)算機(jī)存在嗎？
新生的量子計(jì)算機(jī)以各種形式存在了十多年。一些技術(shù)公司已經(jīng)擁有工作的量子計(jì)算機(jī)，并將它們與相關(guān)的編程語言和軟件開發(fā)資源一起提供。
具有廣泛潛在用途的技術(shù)，其中量子門通過邏輯運(yùn)算控制量子比特，正處于快速發(fā)展的早期發(fā)展中。今天，這種類型的計(jì)算機(jī)通常少于 100 個(gè)量子比特。量子比特在嵌套室內(nèi)保持量子態(tài)，將它們冷卻到接近零度的溫度，并保護(hù)它們免受磁和電干擾。
這項(xiàng)技術(shù)在 2019 年達(dá)到了一個(gè)里程碑，當(dāng)時(shí)量子計(jì)算機(jī)在經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)解決相同問題所需的時(shí)間內(nèi)完成了特定的計(jì)算。這一壯舉被認(rèn)為是原則的證明;使用這種類型的量子計(jì)算機(jī)來解決實(shí)際問題預(yù)計(jì)還需要數(shù)年時(shí)間。
一種不同的量子計(jì)算方法，稱為量子退火，正在進(jìn)一步發(fā)展，但僅限于特定類型的計(jì)算。在這種方法中，安裝在低溫冰箱中的量子計(jì)算機(jī)使用數(shù)千個(gè)量子比特來快速接近復(fù)雜問題的解決方案。該方法僅限于稱為二進(jìn)制優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)問題，這些問題有許多變量和可能的解決方案。一些公司和機(jī)構(gòu)已經(jīng)購買了這種類型的計(jì)算機(jī)或租用新型號(hào)的時(shí)間，以解決與調(diào)度，設(shè)計(jì)，物流和材料發(fā)現(xiàn)相關(guān)的問題。
廣泛使用的量子計(jì)算機(jī)何時(shí)可用？
通用量子計(jì)算機(jī)可能還需要數(shù)年時(shí)間才能應(yīng)用于各種實(shí)際問題。為了做有用的工作，它們可能需要數(shù)千個(gè)量子比特。擴(kuò)大規(guī)模會(huì)帶來挑戰(zhàn)。
大量的量子比特更難分離，如果它們與環(huán)境中的分子或磁場(chǎng)相互作用，它們就會(huì)坍縮或退相干，失去疊加和糾纏的基本但脆弱的特性。量子比特越多，機(jī)器就越有可能出錯(cuò)，因?yàn)閱蝹€(gè)量子比特受到環(huán)境的干擾。
理論家和實(shí)驗(yàn)家制定策略來減少錯(cuò)誤，延長量子比特可以停留在量子態(tài)的時(shí)間，并提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，即使在存在錯(cuò)誤的情況下也能保持其準(zhǔn)確性。
研究人員正在為量子比特和量子計(jì)算機(jī)發(fā)明新的設(shè)計(jì)，并增強(qiáng)現(xiàn)有技術(shù)。已建立和較新的戰(zhàn)略將需要時(shí)間來擴(kuò)大規(guī)模，提高可靠性并展示其潛力。
加州理工學(xué)院如何影響量子計(jì)算？
從一開始，量子計(jì)算領(lǐng)域就由加州理工學(xué)院塑造。突破來自校友和現(xiàn)任加州理工學(xué)院的科學(xué)家和工程師，其中一些人隸屬于加州理工學(xué)院中心，如量子信息與物質(zhì)研究所及其前身;卡夫利納米科學(xué)研究所;新的 AWS 量子計(jì)算中心;和JPL，一個(gè)由加州理工學(xué)院管理的NASA實(shí)驗(yàn)室。這些研究人員在工程和科學(xué)領(lǐng)域以及與世界各地的同事一起工作，已經(jīng)
1959年的量子力學(xué)器件和1981年的量子計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè);
進(jìn)行了個(gè)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)，可以遠(yuǎn)距離傳輸信息;
創(chuàng)建了Shor算法，該算法表明量子計(jì)算機(jī)具有解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題的潛力;
將糾纏量子態(tài)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中;
概念化了一種通過利用糾纏來保護(hù)信息免受當(dāng)?shù)丨h(huán)境干擾來糾正錯(cuò)誤的方法;
開發(fā)了驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)是否正確計(jì)算的方法。
