7、量子计算机：原理、挑战与类型解析

量子计算机：原理、挑战与类型解析

量子计算的理论潜力与现实困境

从理论上讲，许多量子计算专家认为，拥有 40 到 50 个完美量子比特，最多 100 个完美量子比特，就有可能实现量子霸权。甚至有估计称，仅用 300 个完美量子比特，量子计算机就能“映射出从大爆炸以来宇宙中的所有信息”。然而，目前我们还无法获得完美的量子比特，它们充满了错误，尤其是在大规模应用时。

量子比特退相干问题

量子霸权面临的最大挑战无疑是量子比特的过早退相干。退相干是指量子粒子从易于观察的叠加态（即多态）转变为最终测量的单一经典态，这使得获取有用信息变得不可能，而且一旦发生，很难逆转。

在理想的量子计算机中，退相干只会在需要测量“答案”的精确时刻发生。而如今的量子计算机存在大量过早的量子退相干和直接错误，这些错误可能由量子比特的构造、热量、辐射、噪声、振动、有缺陷的门、错误的测量、初始状态准备不当、背景核自旋等多种因素引起。实际上，与外部世界的任何相互作用都是一种威胁。

错误率通常以量子操作时间与退相干时间的比率来表示。量子误差阈值定理表明，任何能够比产生错误更快地纠正错误的量子系统都是可用的。随着量子比特数量的增加，自然错误率也会上升。对于量子计算机来说，要想发挥巨大作用，错误率需要低于 1%，实际上应低于 0.001%。相比之下，经典 CPU 可以进行数万亿次无错误的计算，而在量子世界中，我们目前只希望将错误率降低到每千次计算出现一次错误。

量子误差纠正方法

为了减少量子误差，科学家们尝试了多种方法：
1. 提高相干时间 ：通过改善量子计算机中限制误差的组件，如量子门噪