4、量子计算在人工智能时代的角色

量子计算在人工智能时代的角色

1. 引言

近年来，人工智能凭借计算能力的提升、大量数据集的使用以及算法的进步取得了显著成就。然而，主流人工智能技术仍存在根本局限性。例如，深度神经网络严重依赖大量训练数据，应用于与训练集不同的分布时性能会下降；模型缺乏可解释性，在医疗等高风险领域应用时会引发信任问题；组合优化任务（如蛋白质折叠）随着问题规模增大变得难以处理。

与此同时，量子计算作为一种革命性的计算范式应运而生。它利用量子特有的叠加、纠缠和干涉等性质，使量子处理器的操作方式与经典计算机截然不同。例如，叠加特性使一次操作能同时评估多个状态，纠缠可表示经典系统无法获取的相关数据集。精心设计的量子算法（如Grover搜索算法和Shor因式分解算法）在解决某些问题时，相较于经典技术能实现二次或指数级的加速。

近期，量子处理器工程、算法和软件工具的快速发展，使这项颠覆性技术更接近实际应用。目前，通过云服务可访问的含50 - 100个量子比特的有噪中等规模量子（NISQ）处理器，已应用于量子化学模拟、金融和优化等特定任务。预计未来10 - 15年，大规模容错量子计算机的出现将对各行业产生巨大影响。

量子计算与人工智能的结合为处理海量数据集、在受限问题上实现加速、模拟量子系统以及增强深度学习技术提供了新途径。实现这一潜力需要物理学、计算机科学、数学、工程学和领域科学等多学科的协作。尽管实现实用的量子增强人工智能仍面临诸多挑战，但硬件和算法方面的稳步进展有望解锁两者的联合优势。

2. 量子计算基础

量子计算利用量子物理学的独特现象进行信息处理和计算，这是经典计算机无法做到的。

2.1 量子比特和量子态