實用量子電腦時代愈行愈近

1981年，美國物理學家、諾貝爾獎得主理查·費曼（Richard Feynman）在波士頓附近的麻省理工學院（MIT）發表了一場演講，提出了一個革命性的想法。費曼認為，量子力學中奇特的物理現象可用於進行計算，量子計算領域就此誕生。

在此後的40多年裡，量子計算已成為電腦科學中一個密集研究的領域。儘管經過多年的瘋狂發展，物理學家們尚未製造出適合日常使用和常規條件的實用量子電腦（例如，許多量子電腦需在極低溫度下執行）。對於達成這一里程碑的最佳途徑，仍存在許多疑問和不確定性。

究竟什麼是量子計算？我們距離見到它們廣泛應用還有多久？讓我們先來看看經典計算，也就是我們如今賴以為生的計算方式，就像我寫這篇文章所用的筆記型電腦。經典電腦使用「位元」（bits）的組合來處理資訊，位元是其最小的資料單位，其值要麼是0，要麼是1。你在電腦上做的每件事，從寫電子郵件到瀏覽網頁，都是透過處理這些由0和1組成的位元組合來實現的。

另一方面，量子電腦使用量子位元（qubits）。與經典位元不同，量子位元不僅僅代表0或1。由於一種稱為量子疊加的特性，量子位元可以同時處於多種狀態。這意味著一個量子位元可以是0、1，或者同時是0和1。這就是量子電腦能夠同時處理大量資料和資訊的原因。

想像一下，你可以同時探索一個問題的所有可能解決方案，而不是一次探索一個。這就好比你可以在迷宮中同時嘗試所有可能的路徑，從而找到正確的那條。因此，量子電腦在尋找最佳解決方案方面速度極快，例如識別最短路徑、最快方式。

想想航班延誤或意外事件後重新安排航班這一極其複雜的問題。在現實世界中，這種情況經常發生，但所採用的解決方案可能並不是最佳或最優的。為了找出最佳應對措施，標準電腦需要逐一考慮航班移動、重新路由、延誤、取消或組合的所有可能組合。每天有超過45000趟航班，由500多家航空公司安排，連線著4000多個機場。經典電腦要解決這個問題可能需要數年時間。而量子電腦則能夠同時嘗試所有這些可能性，並讓最佳配置自然呈現。

量子位元還具有一種稱為糾纏的物理特性。當量子位元糾纏時，無論它們相距多遠，一個量子位元的狀態都可能取決於另一個量子位元的狀態。這在經典計算中是不存在的。糾纏使量子電腦能夠比傳統電腦以指數級的速度解決某些問題。

一個常見的問題是，量子電腦是否會完全取代經典電腦。簡單的答案是否定的，至少在可預見的未來不會。量子電腦在解決特定問題方面非常強大，例如模擬不同分子之間的相互作用、從多個選項中找到最佳解決方案或處理加密和解密。然而，它們並不適合所有型別的任務。

經典電腦一次按線性順序處理一個計算，並遵循為使用0或1的經典位元而設計的演演算法（執行特定計算任務的一組數學規則）。這使得它們極其可預測、穩健，並且比量子機器更不容易出錯。對於日常計算需求，如文書處理或瀏覽網際網路，經典電腦將繼續發揮主導作用。

這至少有兩個原因。第一個是實際原因。建造一臺能夠進行可靠計算的量子電腦極其困難。量子世界極不穩定，量子位元很容易受到環境因素的幹擾，例如電磁輻射的幹擾，這使得它們容易出錯。第二個原因在於處理量子位元時固有的不確定性。由於量子位元處於疊加狀態（既不是0也不是1），它們不像經典計算中使用的位元那樣可預測。因此，物理學家用量子位元及其計算的機率來描述它們。這意味著同一個問題，使用相同的量子演演算法，在同一臺量子電腦上多次執行可能每次都返回不同的解決方案。

為瞭解決這種不確定性，量子演演算法通常會執行多次。然後對結果進行統計分析，以確定最可能的解決方案。這種方法使研究人員能夠從本質上具有機率性的量子計算中提取有意義的資訊。

從商業角度來看，量子計算的發展仍處於早期階段，但前景十分多元，每年都有許多新公司湧現。令人驚喜的是，除了IBM和谷歌等大型老牌公司外，新的參與者也紛紛加入，如IQM、Pasqal以及像Alice和Bob這樣的新創公司。它們都在努力使量子電腦更加可靠、可擴充套件且易於使用。

過去，製造商們一直強調其量子電腦中量子位元的數量，以此作為衡量機器效能的指標。如今，製造商們越來越重視糾正量子電腦易出現的錯誤的方法。這種轉變對於開發大規模、容錯的量子電腦至關重要，因為這些技術對於提高其可用性至關重要。谷歌最新的量子晶片Willow最近在這方面取得了顯著進展。谷歌在Willow中使用的量子位元越多，錯誤就越少。這一成就標誌著朝著建造具有商業價值的量子電腦邁出了重要一步，這些量子電腦有望徹底改變醫學、能源和人工智慧等領域。

40多年過去了，量子計算仍處於起步階段，但預計未來十年將取得重大進展。這些機器的機率性本質代表了量子計算和經典計算之間的根本差異。這既是它們脆弱且難以開發和擴充套件的原因，也是它們成為解決最佳化問題的強大工具的原因，能夠比經典電腦更快、更有效地同時探索多種解決方案。