亚马逊、微软、谷歌争先入局量子计算，它会是下一波科技热潮吗？

来源：Yahoo Finance

作者：Daniel Howley

量子计算听起来像是科幻小说中用来解释人物如何穿越时空或缩小到蚂蚁大小的工具。但这项技术是真实存在的，硅谷也越来越多地加入量子潮流。

过去几个月，亚马逊、谷歌和微软都宣布推出自己的量子计算芯片。英伟达正准备于 3 月 20 日在其年度 GTC 开发者大会上举办首届量子日活动。IBM、英特尔和一大批专注于量子的公司也都有自己的芯片。

量子计算机有望在几分钟和几小时内完成传统计算机需要数千年才能完成的计算。这意味着在材料、化学、医学等领域巨大的进步潜力。

但量子计算机到底是什么？它有什么特别之处？

比特与量子比特

为了更好地理解量子计算机，我们先来谈谈经典计算机。你的笔记本电脑、智能手机，甚至智能手表都有中央处理器 (CPU)。它们是现代计算机的大脑。

每个 CPU 都有所谓的晶体管。晶体管就像计算机内部对电信号作出反应的小开关。你可能听过芯片制造商吹嘘他们的芯片有多少亿个晶体管。苹果公司宣称其 Mac 和 iPad 的 M4 芯片上有 280 亿个晶体管，而 Nvidia 则表示其 Blackwell 芯片有 2080 亿个晶体管。

CPU 通过这些电脉冲，使用所谓的二进制代码（一种由 1 和 0 组成的机器语言）翻译您每天使用的应用程序和程序。每个 1 和 0 称为一个位。

位串构成了一系列复杂的指令，这些指令在经过现代编程语言运行后，被翻译成您在屏幕上看到的视频和图像、您玩的游戏以及您在整个工作日使用的应用程序。

一系列电脉冲穿过芯片的晶体管，产生各种 1 和 0。然后，芯片将解释这些信号以访问您的计算机内存或存储。随着命令的复杂性增加，它们能够解释从手指在手机屏幕上滑动到单击网站上的链接时要执行的操作等所有内容。

这些二进制规则应用于整个计算系统，无论是您的家用计算机、医疗设备、汽车还是几乎任何其他需要 CPU 的技术。

然而，量子计算机使用的是被称为量子比特（qubit）的亚原子物体，而不是传统比特。这是一种完全不同的数据存储和处理方式。量子比特不像比特那样以 1 或 0 的形式存在，而是可以同时以 1 和 0 的形式存在，或者两者的任意组合形式存在，这要归功于所谓的叠加。

“把量子比特想象成一个球体，”亚马逊网络服务量子硬件总监 Oskar Painter 解释道。“它有南极和北极，可以同时是 0 和 1 的任意组合。”

更奇怪的是，科学家在观察量子比特之前并不知道它是 1 还是 0。

“在量子世界中，系统本身可以同时处于几种不同的状态，”纽约大学应用物理学助理教授 Rupak Chatterjee 告诉雅虎财经。“在我们测量之前，我们并不一定知道它处于哪种确切状态。”

这种以 1 和 0 存在的能力实现了所谓的并行处理，这使得量子计算机能够比传统计算机更快地解决计算问题。

有多种方法可以操纵量子比特，无论是通过超导系统将量子比特周围的温度降低到接近绝对零度，还是使用激光与原子相互作用，或者利用极端真空中的光粒子（光子）。

你看到的那些巨大的、金色的、看起来像章鱼的机器通常被称为量子计算机？它们主要是与超导量子比特一起工作的冷却系统，以确保它们足够冷以正常运行。

更重要的是，量子计算机并不是独立存在的。它们连接到传统计算机，传统计算机控制量子系统如何与量子比特交互并提供其性能的读数。

量子误差

因此，与我们的传统计算机相比，量子计算机可以利用量子比特的叠加以极快的速度处理计算。那么为什么我们还没有使用它们来解决世界上最复杂的问题呢？因为量子误差。

“[量子比特]非常非常脆弱，”卡内基梅隆大学泰珀商学院运营管理学教授 Sridhar Tayur 解释道。“如果它与环境相互作用，你就不可能同时拥有 0 和 1。”

因为量子比特的规模如此之小，它们极易受到外界干扰。这意味着即使是一个原子也可能扰乱量子比特，导致它丢失信息——即 1 和 0。

根据 Painter 的说法，量子系统每 300 次量子操作就会出现一次错误。然而，为了让量子计算机发挥作用，它只能每万亿次操作出现一次错误。这是一个巨大的差异。

为了解决这个问题，各公司采用了所谓的量子纠错技术。微软、谷歌和亚马逊在其最新芯片中重点关注了这一点。量子纠错背后的想法是使用冗余量子比特。

“如果我想保护一个量子比特的信息，我实际上需要复制它 1,000 次才能得到一个好的，我们称之为逻辑量子比特的信息，”Painter 说。

但这会占用大量资源。研究人员正在努力解决这个问题，但在他们能够解决这个问题之前，量子计算机还不够可靠，无法用于与化学相关的计算、帮助发现新化合物或了解原子如何相互作用。

量子计算机并非万能

虽然量子计算机有助于运行特定算法和解决极其复杂的问题，但即使研究人员能够克服量子误差问题，它们也无法取代经典超级计算机。

这是因为它们的目的不是让你最喜欢的应用程序运行速度更快。更重要的是，当经典计算机被设计来处理这样的任务时，根本没有理由使用量子计算机来进行替代。

换句话说，不要指望回家后打开你的个人量子计算机，然后开始播放 Netflix。你的笔记本电脑已经足够处理好这件事。