作者 | Jason Roell
編譯 | YIFEI
儘管數字革命給我們帶來了人類歷史上最壯觀的技術創新浪潮，但仍有一些計算問題似乎無法解決，其中一些可能會阻礙關鍵的科學突破，甚至阻礙全球經濟。幾十年來，傳統計算機的功率和處理速度幾乎每兩年翻一番，但它們仍未解決這些長期存在的問題。原因是什麼呢？計算機科學家可能會給出相同的答案：今天的數字、傳統計算機是建立在經典的、非常有限的計算模型之上的。 從長遠來看，為了有效解決世界上最棘手的計算問題，我們將不得不求助於全新的、功能更強大的量子計算機。
歸根結底，傳統計算機和量子計算機之間的區別並不像舊車和新車之間那樣，而是像馬和鷹之間的區別：一個可以奔跑，而另一個可以飛。本文將仔細研究其關鍵區別所在，並深入探討量子計算機的獨特之處。
經典計算的硬性限制
摩爾定律
幾十年來，傳統計算機的絕對速度和計算能力每兩年翻一番（有些人認為僅僅只有一年半），這被稱為摩爾定律。儘管飛速發展的步伐可能終於開始略有放緩，但今天占滿房間的超級計算機就是明天的廉價筆記本電腦，這或多或少是可能的。因此，以這種速度，似乎可以合理地假設，在可預見的未來，沒有傳統計算機最終無法處理的計算任務。 然而，除非我們談論的是數萬億年（甚至更長）的時間，否則當涉及到某些棘手的任務時，這根本不是一個安全的假設。
傳統計算機的致命弱點
事實上，即使是未來最快的傳統計算機，也可能無法完成諸如快速找到非常大整數的質因數這樣的計算任務。這背後的原因是，尋找一個數的質因數是一個呈指數增長的函數。指數增長，是理解為什麼量子計算機具有如此大的潛力以及為什麼傳統計算機不足的一個非常重要的部分。隨著「事物」數量的增加，一部分會以同樣的速度增長，而另一部分會增長得更快。當增長相對於增長的總數變得更快（不是恆定的）時，那麼它就是指數級的。
指數增長非常強大，其最重要的特徵之一是雖然起步緩慢，但它可以相當迅速地產生巨大的數量。或許有個小故事可以幫助我們更好地理解指數增長。
傳說中，一位智者得到了國王的賞賜，他請求國王獎勵他，在棋盤的第一格上放一粒米，第二格放兩粒米，第二格放四粒米……以此類推，每個方格的穀物數量都是前一個方格的兩倍。國王同意了他的請求，但很快意識到填滿棋盤所需的大米比整個王國都多，這將使他耗盡所有資產。
任何正方形上的顆粒數反映了以下規則或公式:
在這個公式中，k是正方形的數，N是正方形上的米粒數。
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，會隨著平方的增加而增加。
為了進一步概念化這個問題，我們來看一個關於指數增長輸入量與指數函數輸入量之間關係的圖表。如圖所示，該函數的啟動相對較慢，但很快就會達到任何一台經典計算機都無法在足夠大的輸入尺寸下計算的數字。
回到現實世界中的指數問題，質因數分解。
以數字51為例，要花多長時間才能找到兩個唯一的質數相乘得到它呢？如果熟悉這類問題，可能只需要幾秒鐘就能找到質數3和17，相乘得到51。事實證明，這個看似簡單的過程是數字經濟的核心，也是我們最安全的加密類型的基礎。我們在加密中過程中，當用於質因數分解的數字變得越來越大時，傳統計算機將越來越難以分解它們。一旦你達到了一定數量的數字，你會發現即使是最快的傳統計算機也需要幾個月、幾年、幾個世紀、幾千年，甚至無數個億來計算它。
有了這個想法，即使在可預見的未來，計算機的處理能力會每兩年翻一番，它們也將始終與質因數分解作鬥爭。在現代科學和數學的核心，其他同樣棘手的問題包括某些分子建模和數學優化問題，這些問題有可能使任何敢靠近它們的超級計算機崩潰。
量子計算機登場
傳統計算機是嚴格的數字計算機，完全依賴經典的計算原理和特性。而量子計算機嚴格來說是量子的，因此它們依賴於量子原理和性質，最重要的是疊加和糾纏，這使得它們幾乎具有奇蹟般的能力來處理看似不可能解決的問題。
疊加
為了理解疊加的概念，我們需要考慮一個簡單的系統：雙態系統。一個普通的、經典的雙狀態系統就像一個開關，它總是處於一種狀態(On)或另一種狀態(Off)。然而，雙態量子系統完全是另一回事。當我們測量它的狀態時，會發現它確實不是開著就是關著，就像經典系統一樣。但在測量之間，量子系統可以同時處於開態和關態的疊加狀態。
一般來說，物理學家認為，在測量之前討論量子系統的狀態(比如自旋)是沒有意義的。有些人甚至認為，測量量子系統的行為會導致它從一個不確定的模糊狀態崩潰到你測量的值(開或關，上或下)。雖然可能無法想像，但不可否認這種神秘的現象不僅是真實的，而且為解決問題的能力提供了一個新的維度，為量子計算機鋪平了道路。
糾纏
接下來是量子力學的下一個性質，我們需要利用它來創建量子計算機。
眾所周知，一旦兩個量子系統相互作用，它們就會無可救藥地成為糾纏在一起的夥伴。從那時起，一個系統的狀態將會提供關於另一個系統狀態的精確信息，無論這兩個系統相距多遠。這兩個系統可能相距數光年，但仍然能給出關於對方精確和即時的信息。
量子比特
量子比特/量子位在量子計算中的作用與經典計算中的一樣: 它是信息的基本單位。然而，與量子比特相比，比特則徹頭徹尾的無意義。雖然比特和量子位都生成兩個狀態(0或1)中的一個作為計算的結果，但是一個量子位可以同時處於0和1兩種狀態之前。這聽起來是不是很像態疊加原理？沒錯，量子位是最優秀的量子系統。
正如傳統計算機是用開或關的電晶體一點一點構建的，量子計算機則是由處於向上或向下自旋態的電子逐個量子位構建。正如處於開/關狀態的電晶體串在一起形成在數字計算機中執行經典計算的邏輯門一樣，處於上/下自旋狀態的電子串在一起形成在量子計算機中執行量子計算的量子門。
我們如今走到了哪一步？
當英特爾(Intel)忙於生產每片有數十億個電晶體的傳統晶片時，世界領先的實驗計算機科學家們仍在努力建造一個擁有超過少數量子位的量子計算機「晶片」。IBM推出了世界上最大的量子計算機，它有50個量子位，這是一件大事。儘管如此，這只是一個開始，如果類似摩爾定律的東西適用於量子計算機，我們應該在幾年內達到數百台，再過幾年就會達到數千台，不需要10億個量子比特就能在一些關鍵類別上勝過傳統計算機，比如素分類、分子建模和一系列傳統計算機如今還無法觸及的優化問題。
等待突破的障礙
量子計算機尚未成為主流的主要原因是，世界上最優秀的頭腦和發明家仍在與高錯誤率和低量子位位數作鬥爭。當我們一起解決這兩個問題時，我們將迅速增加IBM所說的每台計算機的「量子體積」，這是一種可視化量子計算機可以執行的有用計算的絕對數量的方法。
簡而言之，要讓量子計算起飛，讓量子驅動的macbook開始熱銷，我們需要更多的量子比特，而錯誤則要少得多。這需要時間，但至少我們知道我們的目標是什麼，我們面對的是什麼。
神話vs解釋
雖然我們知道量子計算機可以輕鬆地完成傳統計算機無法想像的事情，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，考慮到第一代量子計算機已經存在，請記住量子這個詞。一個世紀以來，我們一直在使用量子力學來解決問題，但我們仍然不知道它是如何運行的。
量子計算作為量子家族的一員，也是同舟共濟。麥可·尼爾森(Michael Nielsen)（基本上就是他寫了這本關於量子計算的書）令人信服地指出，任何關於量子計算的解釋都註定會失之偏頗。畢竟，根據尼爾森的說法，如果對量子計算機的工作原理(即可以可視化的東西)有一個簡單的解釋，那麼它就可以在傳統計算機上進行模擬。但如果它可以在傳統計算機上模擬，那麼它就不能成為量子計算機的準確模型，因為量子計算機根據定義可以做傳統計算機無法做的事情。
根據尼爾森的說法，最流行的假裝解釋量子計算的神話被稱為量子並行。我們會經常聽到量子並行的故事。量子並行性背後的基本思想是，與傳統計算機不同，量子計算機同時探索所有可能的計算結果/解決方案(即在單個操作中)，而數字計算機必須緩慢前進，按順序查看每個解決方案。根據尼爾森的說法，量子並行故事的這一部分大致是正確的。然而，他尖銳地批評了這個故事的其餘部分，接著說，在研究了所有的解決方案之後，量子計算機挑出了最好的一個。根據尼爾森的說法，這是一個想像。他堅持認為量子計算機和所有量子系統一樣，其背後真正做的事情完全超出了我們的能力範圍。我們只能看到輸入和輸出，而在這兩者之間發生的事情是未知的。