27、量子计算：计算技术的潜在未来

量子计算：计算技术的潜在未来

1. 量子计算简介

截至2020年，量子计算在实际应用中尚未成为现实。其基本理念是利用亚原子粒子的特性为计算机提供动力。在亚原子层面，物质的行为方式十分奇特，长期以来人们认为，如果人类能够驾驭物质和能量的这些奇异转变所蕴含的力量，或许就能实现不可思议的成就。

20世纪80年代，科学家们构想出了基于量子原理制造计算机的想法。这一发明可能比计算机科学史上迄今为止的任何发展都更具变革性，它将使人类计算超越当前的诸多限制。有人认为量子计算只是物理学家的狂热梦想，不太可能实现；而另一些人则相信，尽管还很遥远，但量子计算是一个现实的未来。在很多方面，努力实现量子计算本身或许就是一种回报，因为这一研究领域可能会极大地增进人类对量子领域的了解，而目前量子领域主要在科幻文学和电影制作中作为解围之神般的存在。

2. 量子物理基础

量子物理学是一门旨在解释物质行为的研究领域，它基于物理学家对物质基本粒子行为的研究所得出的证据。量子物理学从物质开始，物质是用来描述任何具有物理实体的事物的术语。甚至思想和观念也可以被视为物质，因为当一个人思考时，大脑会充满电化学信号，就科学家目前所能确定的而言，这些信号与思想是等同的。即使是人类的思维，尽管看起来非物质，但也可以说是物质的。这一点在理解量子原理时很重要，因为量子力学和量子世界最奇怪的事情之一是，在这个尺度上物质的行为与人类在自身存在尺度上观察到的情况大不相同。

科学家了解宇宙的一种方式是通过“还原”过程，即研究人员试图将复杂的事物分解成其组成部分。以乐高积木搭建的房子为例，房子本身是一个整体，房子的某些部分，如地板、墙壁等也是独立的部分。这些部分都是由乐高积木组成的，因此，为了理解乐高房子的本质，人们可以将房子分解成越来越小的部分，最终得出整个房子是由乐高积木组成的结论，乐高积木就是核心的、最小的可能组成部分。但乐高积木也是由其他东西制成的，它们是塑料，而塑料是由分子组成的物质，分子的特性决定了材料的特性。

那些分子又是由更小的成分——原子组成的。原子是所有物质最基本的单位之一，宇宙中的一切（除了纯能量）都是由原子组成的。原子和它们组合形成的分子一样，具有某些固有的特性，并传递给分子。原子可以进一步分解成更小的部分，即质子、中子和电子，这就是物理学家所说的“亚原子”世界，是对曾经被认为是最小物质单位的原子之下的整个组织和复杂程度层次的研究。但后来科学发现，质子和中子还可以分解成更小的部分，即“夸克”。夸克是极其微小的亚原子粒子，它们结合形成质子和中子。夸克有不同的类型，称为“味”，包括“上”“下”“奇”和“粲”。在这个层面上，还有轻子、费米子和玻色子，它们能够产生宇宙的物理力，包括电磁力和将质子和中子结合在一起形成原子的“核力”。

特别重要的一种亚原子粒子是希格斯玻色子，物理学家长期以来一直相信它的存在，但直到2012年才得到证实。这个粒子有时被物理学家称为“上帝粒子”，因为它是赋予宇宙中其他粒子质量的粒子。质量是物理世界的一种属性，它赋予事物物理范围，并决定事物如何对重力和其他力做出反应。当人类看到或感觉到某物并认识到它占据空间时，就观察到了质量。希格斯玻色子创造了质量，从而使物理对象占据空间。

量子物理学是对奇异的亚原子世界以及这些极其微小的物质粒子之间存在的力的研究。这些相互作用决定了物质的运作方式，进而也决定了宇宙的运作方式。宇宙中所看到或经历的一切都依赖于支配量子物理学的无形力量。量子理论的基本思想最早是在20世纪20年代由沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔和尼尔斯·玻尔等物理学先驱确立的，他们现在都有以自己名字命名的量子行为基本原理。量子力学是研究量子行为的最基础领域，但仅靠它本身不足以解释宇宙的行为。相反，量子原理需要与其他理论相结合，比如爱因斯坦著名的相对论。量子原理和相对论共同为我们描绘了一幅虽不完整但很好的物理世界图景。

量子物理学的研究主题非常广泛，其影响延伸到科学和人类生活的各个方面。但科学家在研究量子问题时的发现也非常奇特，迫使我们质疑许多我们自认为了解的关于宇宙的事情。例如，在极小尺度下，粒子似乎不仅仅是粒子，它们还表现得像波，而波不是离散的物理实体，而是能量的模式。在量子层面，物质似乎分解到这样一个程度，即一个粒子从一个角度看可能是粒子，从另一个角度看可能是波。这意味着什么呢？从最基本的层面来说，这意味着我们自认为看到或了解的关于宇宙的很多东西在很大程度上取决于我们研究宇宙的方式。

这种宇宙特性通过一个被称为“薛定谔的猫”的思想实验得到了证明，该实验以物理学先驱埃尔温·薛定谔的名字命名。薛定谔的实验旨在象征宇宙中粒子的行为，实验涉及一只装在盒子里的猫，在有人打开盒子查看之前，这只猫被认为既是活着的又是死的，处于一种未确定的、奇异的存在状态。决定猫是生是死的是观察行为。观察猫的行为迫使构成猫的粒子采取一种状态，在采取这种状态之前，猫既不是活着的也不是死的，甚至可以说它实际上并不存在。乔恩·卡特赖特在《新科学家》上写道：“当你不看它时，一个亚原子粒子在哪里？量子物理学家可能会回答：有点无处不在。一个未被观察的粒子是一缕现实，一丝存在的微光——没有一个好的比喻能形容它，因为它从定义和本质上来说都是模糊的。直到你看了一眼。然后它就变成了一个真正的粒子，可以用语言描述，是一个有位置的东西。”

这个画面似乎完全荒谬。然而，一个多世纪以来，许多探索微观世界的实验都强化了这样一个结论：当我们不关注时，世界是模糊和不确定的。只有通过观察、测量事物，我们才能使它们变得明显“真实”。

量子物理学家还揭示了宇宙的另一个不寻常特征。似乎粒子可以相互关联，即使它们可能被无限的空间分隔，但仍然以某种方式保持连接。这种连接被称为“纠缠”，它会产生一些奇怪的后果。例如，想象两个纠缠的电子，如果有人对宇宙一侧的两个光子中的一个进行操作，宇宙另一侧的光子也会经历这种变化。实际上，你可以通过对宇宙一侧的一个粒子进行操作来改变另一侧的一个粒子。

还有一个看似不合逻辑的发现是，粒子甚至不局限于单一区域，而是可以同时存在于多个地方。这种特性被称为“叠加”，它导致了奇怪的实验结果。经典的演示是将光粒子（即光子）发射通过一个有两个微小狭缝和一个目标的实验腔，目标会对光子的撞击做出反应。当发射单个光子时，它会同时穿过两个狭缝。基本原理是，由于光子既表现为粒子又表现为波，它会“自我干涉”，从而导致粒子同时存在于两个地方。然而，（记住薛定谔的猫实验）当物理学家测量光子穿过了哪个狭缝时，叠加状态消失，粒子似乎只穿过了两个狭缝中的一个。同样，测量行为“坍缩”了叠加状态，使粒子变得“真实”。

2018年，日本和以色列的物理学家试图找到一种方法来研究这个看似矛盾的现象。他们发现，一个粒子的特性不仅由它过去或现在发生的事情决定，还由未来发生的事情决定，这表明粒子存在于我们所理解的线性时间进程之外。此外，研究人员发现，仅仅决定在某个特定位置寻找一个粒子，这种观察行为就会使粒子出现。更奇怪的是，物理学家现在发现，相关粒子可能不仅同时存在于两个地方，还可能同时存在于许多不同的地方。实际上，如果没有观察行为，它可能根本不存在。换句话说，观察，无论是过去、现在还是未来的观察，都决定了存在。通过观察某件事情，人们不仅可以使这件事情在当下发生，还可以使过去发生一些事情，从而使这件事情在当下或未来发生。

量子物理学实验的发现迫使人类质疑他们对时间、空间和因果关系的观念。是观察行为使现实变得真实吗？在某些方面，量子理论的奇特之处让人想起那句古老的谚语：如果一棵树在森林里倒下，而没有人听到，它会发出声音吗？在量子物理学的情况下，这个思想实验可能是：如果一棵树在森林里倒下，而没有任何人或任何东西能够检测到它的存在，这棵树是否存在呢？我们所体验到的现实是一个视角问题，而量子物理学告诉我们的一件事是，视角甚至可能决定物质的基本存在。然而，从另一个角度来看，这一切都无关紧要。从基本层面来说，未被观察的树和隐藏的猫是否“真实”并不重要，因为人类只能与他们能够观察和测量的事物进行互动，因此总是会与一个“真实”的世界互动，即使这个世界实际上是由既存在又不存在的粒子组成的。

3. 量子特性在计算中的应用

关于量子计算，最重要的是要知道它不会很快到来。没有必要排队等待微软或苹果发布他们的第一台量子计算机，这项技术甚至还远未达到商业开发阶段。整个努力有可能永远不会在商业市场上产生任何实际应用。然而，关键的突破意味着量子计算的潜力现在比以往任何时候都更加真实，科技公司已经认真投入资金，希望即使量子计算机永远不会为商业市场开发出来，他们的投资也可能会导致发明出推动其领域发展的新技术。

量子计算的概念最早在20世纪60年代被构想出来，当时人们也刚刚开始探索量子物理学的奇异力量。其基本想法是设计一种计算机，它能够以与粒子相互作用相同的方式处理信息。现代计算基于二进制处理器，通过评估一系列开或关的信号（即“1”和“0”）来进行计算。二进制信号是计算的基本单位，但如果计算机可以不依赖二进制的1和0，而是依赖所谓的量子比特（qubit）呢？量子比特具有强大的特性，使其比二进制比特更加有用。一个量子比特可以被诱导进入前面讨论过的叠加状态，在这种状态下，量子比特可能同时存在于多种状态。没有合适的比喻可以解释这是如何运作的。有些人解释说量子比特既是1又是0，但这并不正确。它可能是1，是0，也可能既不是1也不是0，等等。重要的是，量子比特的行为方式是由概率决定的。它有一定的概率表现为1，有一定的概率表现为0，还有一定的概率既不表现为1也不表现为0。人类的交互“坍缩”了这种状态，从而决定了量子比特的行为。

在处理能力方面，关键的想法是单个量子比特可以同时在多个计算中发挥作用。由于叠加特性，量子比特不受基于二进制方法的线性计算规则的限制。因此，一台拥有相对较少量子比特的计算机可以在瞬间执行比类似传统计算机多得多的计算。其他量子特性也在使用量子比特而非传统比特的机器中发挥作用，增加了机器的计算能力。例如，纠缠特性意味着量子比特可能与其他量子比特相互纠缠，这样机器就可以同时利用多组比特。因此，如果每个量子比特都与另一个量子比特纠缠，一台拥有50个量子比特的机器可以利用2的50次方个量子比特的力量，这实际上使机器拥有了其拥有的量子比特计算能力的两倍。如前所述，量子干涉特性可以用来消除错误的计算路径，从而引导机器找到正确答案。

量子计算机目前仅以最基本、高度实验性的形式存在，但也有基于量子比特使用的量子算法。例如，有一种名为格罗弗算法的量子算法，具有惊人的计算速度。如果使用这种算法从超过1亿种可能选项的数据集合中查找一条信息，它只需1万次操作就能找到正确答案，而传统计算机则需要超过5000万次操作才能找到相同的数据。虽然解锁本质上无限的计算能力的潜力听起来令人印象深刻且令人向往，但科学家们不知道如何稳定量子比特以使这项技术实用化。量子比特经常出错，产生错误答案，任何环境干扰都可能中断相关计算。研究人员正在努力寻找稳定量子比特和量子计算机的方法，但目前这项技术仅适用于实验室。

如果这项技术能够得到完善，量子计算将有许多潜在的应用，其中一些在人工智能和机器学习领域。通过使人工智能摆脱二进制计算的机械计算能力限制，一些研究人员希望他们可能能够接近真正的智能，即能够以不可预测的方式思考信息并得出新颖解决方案的能力。目前还没有如何将量子计算与机器学习联系起来的路线图，但这种性质的计算革命可能会释放出超越传统计算可能永远无法实现的人类思维固有能力的力量。相关地，人工智能研究也有可能帮助研究人员解锁量子计算的潜力。在2019年《宇宙》杂志的一篇文章中，研究员加布里埃拉·贝尔纳迪讨论了人工智能研究和“深度学习”领域与世界上第一台量子计算机发展之间可能存在的重叠。

意大利研究人员表明，在所谓的现实世界情况下，有可能传送一个量子比特（或qubit）。他们通过让人工智能进行大部分思考来实现这一目标。量子比特转移现象并不新鲜，但由米兰光子与纳米技术研究所的恩里科·普拉蒂领导的这项工作是首次在系统偏离理想条件的情况下实现这一目标。此外，这也是首次将一类被称为深度强化学习的机器学习算法应用于量子计算问题。这些发现发表在《通信物理学》杂志的一篇论文中。

量子计算的一个基本问题是找到一种快速可靠的方法来移动量子比特——机器中量子信息的基本单元。这个信息单元由一个单个电子编码，它必须在两个位置之间移动，而不经过中间的任何空间。在所谓的“绝热”或热力学量子计算方法中，可以通过向奇数个量子点组成的链施加特定的激光脉冲序列来实现这一点，量子点是电子可以放置的相同位置。这是一个纯粹的量子过程，赫尔辛基物理研究所的尼古拉·维塔诺夫在1999年发明了解决这个问题的方法。由于其性质与常识直觉相去甚远，这个解决方案被称为“反直觉”序列。然而，这种方法仅适用于理想条件，即电子状态不受任何干扰或扰动的情况。

因此，普拉蒂和他在米兰大学的同事里卡多·波罗蒂、达里奥·塔马谢利以及米兰理工大学的马尔切洛·雷斯泰利采取了不同的方法。普拉蒂说：“我们决定测试深度学习的人工智能，它已经因为击败了围棋世界冠军以及在更严肃的应用（如乳腺癌识别）中而被广泛讨论，我们将其应用于量子计算机领域。”深度学习技术基于分层排列的人工神经网络，每一层为下一层计算数值，从而使信息得到越来越完整的处理。通常，会使用一组已知的问题答案来“训练”网络，但当这些答案未知时，可以使用另一种称为“强化学习”的技术。在这种方法中使用两个神经网络：一个“行动者”负责寻找新的解决方案，一个“评判者”必须评估这些解决方案的质量。只要研究人员能够提供一种可靠的方法来判断各自的结果，这两个网络就可以独立地研究问题。

研究人员随后设置了这种人工智能方法，让它独自承担发现如何控制量子比特的任务。普拉蒂说：“所以，我们让人工智能自己找到解决方案，不给它先入之见或示例。它找到了一个比原来更快的解决方案，而且在有干扰的情况下也能适应。”他补充说，换句话说，人工智能“比我们更好地理解了这个现象并推广了结果”。他解释说：“就好像人工智能能够自己发现如何在不考虑干扰的情况下传送量子比特，即使在我们还没有任何解决方案的情况下也是如此。”“通过这项工作，我们已经表明，量子计算机的设计和控制可以从人工智能的使用中受益。”

除了在计算领域的应用，利用量子原理的力量在其他领域也可能具有变革性。例如，想象一下利用纠缠或叠加特性使 teleportation（瞬移）成为可能。1998年，一组研究人员发表了一篇论文，论证了这样一个未来是可能的。量子力学的影响仍然不太清楚，因为物质和能量最基本层面发生的许多事情还不为人所知，但世界正在越来越接近形成对这些奇异特性和原理的现实且可能改变宇宙的看法。尽管目前尚不清楚量子计算是否会成为实用和消费技术领域的一场革命，但很有可能该领域的研究将导致一些周边发现，这些发现可能会更快地改变消费技术市场。大多数机器人和人工智能研究都遵循一条可以追溯到离散粒子的发现以及通过二进制能量传输系统应用这些粒子的发现路径。而量子研究则源于不同的发现和研究脉络。

有趣的是，“量子”一词是由马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦创造的，用于讨论可测量的光包，不是单个光子或光粒子，而是一束光子。1924年，“量子跃迁”一词被创造出来，在20世纪30年代后来改为“量子飞跃”，这两个表达都用于描述从一种状态到另一种状态的突然变化。这将量子飞跃与渐进式发展区分开来。量子计算和其他量子技术的发展实际上将代表人类的一次量子飞跃。而这些技术何时或是否会开始影响日常生活则是另一个问题。

4. 量子计算的未来展望

量子计算是一场尚未发生的最奇妙的计算机革命。量子比特和量子计算机的力量有望使计算能力取得巨大进步，即使是一台小型量子计算机也可能比现代的超级计算机更强大。也有可能通过云计算将量子计算机与标准计算机技术集成，以提高消费者和商业计算机技术的功率和速度。在与人类生活如此直接相关的技术中利用亚原子粒子特性的想法也引发了一个问题，即人类对物理学的理解以及量子研究的影响可能会如何改变。将量子力学和物理学的概念介绍给美国人和世界各地的其他人的尝试，有可能导致不仅在对计算机的看法上，而且在对人类生活和宇宙本质的看法上发生重大转变。

以下是一些值得思考的问题：
- 研究人员是否应该继续致力于制造量子计算机？为什么？
- 即使量子计算永远不会成为消费技术，量子计算机研究如何推动技术进步？
- 量子现象是否改变了人类对现实的理解？为什么？
- 量子计算如何改变人工智能研究领域？

总之，量子计算虽然目前还面临诸多挑战，但它蕴含着巨大的潜力，无论是在计算领域还是其他领域，都可能带来革命性的变化。随着研究的不断深入，我们有望看到量子计算从实验室走向实际应用，为人类社会带来新的突破。

下面用mermaid流程图展示量子计算从概念到应用的大致过程：

graph LR
    A[量子计算概念提出] --> B[量子物理研究]
    B --> C[发现量子特性（叠加、纠缠等）]
    C --> D[构想量子计算应用]
    D --> E[开发量子算法（如Grover算法）]
    E --> F[制造实验性量子计算机]
    F --> G[解决稳定性问题（稳定qubit）]
    G --> H[实现商业应用（AI、机器学习等）]

表格展示传统计算机与量子计算机的对比：
| 对比项 | 传统计算机 | 量子计算机 |
| ---- | ---- | ---- |
| 计算单位 | 二进制比特（0和1） | 量子比特（qubit） |
| 计算方式 | 线性计算 | 利用叠加和纠缠同时进行多计算 |
| 处理能力 | 有限，随比特数增加线性增长 | 理论上可指数级增长 |
| 稳定性 | 高 | 低，易受环境干扰 |
| 应用现状 | 广泛应用 | 主要在实验室研究 |

量子计算：计算技术的潜在未来

5. 量子计算面临的挑战

尽管量子计算前景广阔，但要实现其大规模应用，还面临着诸多挑战。
- 量子比特稳定性 ：如前文所述，量子比特极易受到环境干扰，导致计算出错。任何微小的温度变化、电磁干扰等都可能使量子比特的状态发生改变，从而影响计算结果的准确性。例如，在实验室环境中，即使采取了严格的屏蔽措施，量子比特仍会频繁出错。
- 纠错技术难题 ：为了保证量子计算的准确性，需要开发高效的纠错技术。然而，目前的纠错方法往往需要消耗大量的额外资源，增加了系统的复杂度和成本。例如，为了纠正一个量子比特的错误，可能需要使用多个额外的量子比特来进行纠错编码。
- 系统可扩展性 ：要实现实用的量子计算机，需要将大量的量子比特集成到一个系统中。但随着量子比特数量的增加，系统的控制和管理变得越来越困难，如何保证各个量子比特之间的相互作用和协同工作是一个巨大的挑战。

6. 应对挑战的策略

为了克服上述挑战，研究人员正在采取多种策略。
- 优化硬件设计 ：通过改进量子比特的物理实现方式，提高其稳定性和抗干扰能力。例如，采用新型的材料和结构来制造量子比特，减少环境对其的影响。
- 发展纠错算法 ：研究更加高效的纠错算法，降低纠错所需的资源消耗。例如，利用量子编码理论设计出能够在较少额外量子比特的情况下实现高效纠错的算法。
- 多学科融合 ：量子计算是一个跨学科的领域，需要物理学、计算机科学、数学等多个学科的协同合作。通过整合不同学科的知识和技术，有望找到解决问题的新途径。

7. 量子计算的应用前景

如果能够成功克服上述挑战，量子计算将在多个领域展现出巨大的应用潜力。
- 密码学 ：量子计算机的强大计算能力可以破解现有的许多加密算法，同时也可以开发出更安全的量子加密技术，保障信息的安全传输。
- 药物研发 ：量子计算可以模拟分子的结构和行为，加速药物研发的过程。例如，通过模拟药物分子与生物靶点的相互作用，筛选出更有潜力的药物候选物。
- 金融建模 ：在金融领域，量子计算可以处理复杂的风险评估和投资组合优化问题，为金融机构提供更准确的决策支持。
- 物流优化 ：通过量子计算可以优化物流网络的规划和调度，提高运输效率，降低成本。

以下是一个简单的列表，总结量子计算在不同领域的应用：
1. 密码学 ：破解现有加密算法，开发量子加密技术。
2. 药物研发 ：模拟分子结构和行为，加速药物筛选。
3. 金融建模 ：处理复杂风险评估和投资组合优化。
4. 物流优化 ：优化物流网络规划和调度。

8. 量子计算与人工智能的相互促进

量子计算和人工智能是两个具有巨大潜力的领域，它们之间存在着相互促进的关系。
- 量子计算助力人工智能 ：量子计算的强大计算能力可以为人工智能提供更高效的计算支持，加速机器学习算法的训练过程。例如，利用量子算法可以更快地处理大规模的数据，提高模型的训练速度和准确性。
- 人工智能推动量子计算 ：人工智能技术可以用于优化量子计算机的控制和管理，提高量子比特的稳定性和纠错能力。例如，通过机器学习算法可以自动调整量子计算机的参数，减少环境干扰对计算的影响。

下面用mermaid流程图展示量子计算与人工智能的相互促进关系：

graph LR
    A[量子计算] --> B[为人工智能提供计算支持]
    B --> C[加速机器学习算法训练]
    C --> D[提高人工智能性能]
    D --> E[人工智能技术]
    E --> F[优化量子计算机控制和管理]
    F --> G[提高量子比特稳定性和纠错能力]
    G --> A[促进量子计算发展]

表格展示量子计算与人工智能结合的优势：
| 结合方面 | 优势 |
| ---- | ---- |
| 计算能力 | 量子计算提供强大计算力，加速AI训练 |
| 算法优化 | 量子算法可改进AI算法性能 |
| 系统管理 | AI技术优化量子计算机控制和纠错 |

9. 总结与展望

量子计算作为一项具有革命性潜力的技术，虽然目前还面临着诸多挑战，但已经取得了重要的进展。随着研究的不断深入和技术的不断突破，量子计算有望在未来改变我们的生活和工作方式。

在未来，我们可以期待看到量子计算在更多领域的应用，如科学研究、工业制造、交通运输等。同时，量子计算与其他新兴技术的融合也将创造出更多的创新机会。例如，量子计算与区块链技术的结合可能会带来更安全、高效的分布式账本系统。

然而，要实现量子计算的广泛应用，还需要政府、企业和科研机构的共同努力。政府可以加大对量子计算研究的投入，制定相关的政策和标准；企业可以积极参与量子计算技术的研发和应用，推动其商业化进程；科研机构则需要不断探索新的理论和技术，为量子计算的发展提供坚实的基础。

总之，量子计算的未来充满了机遇和挑战，让我们拭目以待这项神奇技术的发展和应用。