什么是量子计算？

量子计算是一种快速崛起的技术，它利用量子力学定律来解决对经典计算机来说过于复杂的问题。 

如今，量子计算机制造出了真正的量子硬件（这是一种科学家们在 30 年前才开始想象的工具），供成千上万的开发人员使用。 工程师定期提供功能越来越强大的超导量子处理器，同时在软件和量子经典编排方面取得重大进展。 这项工作推动了改变世界所需的量子计算速度和能力。 

这些量子计算机与已经存在了半个多世纪的经典计算机大不相同。 这是关于这种颠覆性技术的入门读物。

为什么我们需要量子计算机？

对于某些问题，超级计算机的表现并不那么出色。

当科学家和工程师们遇到难题时，他们把目光投向超级计算机。 这些是非常 庞大的经典计算机，通常具有数千个经典 CPU 和 GPU 核心。 然而，即使 是超级计算机，某些问题解决起来也十分困难。

如果超级计算机也无能为力，那可能是因为这台大型传统机器被要求解决 一个高度复杂的问题。 让传统计算机无能为力的原因通常是复杂性 复杂问题是许多变量以复杂方式相互作用的问题。 对 分子中单个原子的行为进行建模是一个复杂的问题，因为所有不同的电子都相互 作用。 在全球航运网络中为数百艘油轮挑选理想航线也是一项很复杂的任务 。

为什么量子计算机速度更快？

我们来看一个经典计算机无能为力的情况下量子计算机却能成功应对的例子：

超级计算机可能很擅长处理诸如对大型蛋白质序列数据库进行分类这样的艰巨任务，但是很难发现数据中决定这些蛋白质行为的微妙模式。

蛋白质由一长串的氨基酸构成，当它们折叠成复杂的形状时，就会成为有用的生物机器。 弄清楚蛋白质的折叠方式是一个对生物学和医学都具有重要意义的问题。 

一台经典的超级计算机可能会尝试用蛮力折叠蛋白质，利用众多处理器检查各种可能的化学链弯曲方式，然后再得出答案。 但随着蛋白质序列变得越来越长、越来越复杂，超级计算机就会停止运行。 一条由 100 个氨基酸组成的链，理论上可以用数万亿种方式中的任何一种方式折叠。 没有哪台计算机所具有的工作内存足以处理单个折叠的所有可能组合。

量子计算算法采用了一种新方法来解决这些复杂的问题，即创建多维空间，在这些空间中，出现链接单个数据点的模式。 对于蛋白质折叠问题，这种模式可能是所需能量最少的折叠组合。 这种折叠组合就是问题的解决方案。

经典计算机无法创建这些计算空间，因此它们无法找到这些模式。 而对于蛋白质问题，已存在早期的量子算法，它们能够以更高效的全新方式找到折叠模式，而无需像经典计算机那样费力地执行检查程序。 随着量子硬件规模的扩大和这些算法的进步，它们可以解决对任何超级计算机来说都过于复杂的蛋白质折叠问题。

量子计算机如何工作？

量子计算机是优雅的机器，与超级计算机相比，体积更小，所需的能源也更少。量子计算处理器是一块晶片，比笔记本电脑中的晶片大不了多少。 量子硬件系统大约有汽车那么大，主要由冷却系统组成，旨在使超导处理器保持超低运行温度。

经典处理器使用比特来执行操作。 而量子计算机则使用量子比特（CUE 比特）来运行多维量子算法。

超流体

您的台式计算机可能会使用风扇来冷却到适宜的工作温度。 而我们的量子处理器则需要非常低的温度 - 大约比绝对零度高百分之一度。 为了实现这一目标，我们使用超冷超流体来制造超导体。

超导体

在这些超低温度下，我们处理器中的某些材料表现出另一种重要的量子力学效应：电子可以毫无阻力地穿过这些材料。 这使它们成为“超导体”。 

当电子通过超导体时，它们会配对，形成"库珀对"。这些对可以通过名为"量子隧穿"的过程，携带电荷穿过势垒或绝缘体。 放置在绝缘体两侧的两个超导体形成约瑟夫森结

控制

我们的量子计算机使用约瑟夫森结作为超导量子比特。 通过向这些量子比特发射微波光子，我们可以控制它们的行为，并让它们保存、更改和读出单个量子信息单元。

叠加

量子比特本身并不是很有用。 但它可以执行一个重要的技巧：将它保存的量子信息置于叠加状态，这代表了量子比特所有可能配置的组合。 叠加的量子比特组可以创建复杂的多维计算空间。 在这些空间中，可以用新的方式来表示复杂的问题。

纠缠

纠缠是一种量子力学效应，可将两个独立事物的行为关联起来。 当两个量子比特纠缠在一起时，其中一个量子比特的变化就会直接影响到另一个。 量子算法利用这些关系来寻找复杂问题的解决方案

让量子计算机有用

但量子优势仅靠硬件是无法实现的。实现量子优势需要找到一些新方法来减少错误、提高速度并协调量子和经典资源。

量子计算机用在什么地方？

业界普遍认为，量子计算机的发展将经历三个阶段：

第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。

第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题。比如量子化学、新材料设计、优化算法等。

第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算机。

“包括‘九章二号’和‘祖冲之二号’，世界上目前所有的量子计算机研究都还在第一阶段。学界乐观的观点认为，5年左右会有局部应用落地。

对于第三阶段的可编程的通用量子计算机，学者们预测，其可用于密码破译、气象预报、金融分析、药物研发、矿产勘探等多个方面。影响更为深远的是，量子计算机的强大算力将有助于人类认识物理、化学等领域重大基础科学问题，并与人工智能等科技产生“乘法效应”，加速产生“裂变反应”。

腾讯量子实验室负责人张胜誉告诉记者，他们近期在量子比特的初始化、量子编译和体系结构、大图算法设计等方面取得进展，并在药物研发、材料仿真等产业应用方面积极探索。