量子计算是一个快速发展的领域，具有彻底改变人工智能(AI)和机器学习(ML)的能力。随着对更大、更好、更准确的AI和ML的需求加速，标准计算机将被推到其能力的极限。量子计算机植根于并行化，能够管理更复杂的算法，将成为解锁下一代AI和ML模型的关键。本文旨在通过分解量子计算的一些关键原理来揭开量子计算机的工作原理。
量子计算是一个快速发展的领域，具有彻底改变人工智能(AI)和机器学习(ML)的能力。随着对更大、更好、更准确的AI和ML的需求加速，标准计算机将被推到其能力的极限。量子计算机植根于并行化，能够管理更复杂的算法，将成为解锁下一代AI和ML模型的关键。本文旨在通过分解量子计算的一些关键原理来揭开量子计算机的工作原理。
量子计算机是一种可以并行执行许多任务的机器，赋予它惊人的能力，以非常快的速度解决非常复杂的问题。尽管传统计算机将继续满足普通人的日常需求，但量子计算机的快速处理能力有可能彻底改变许多行业，远远超出使用传统计算工具所能做到的。有了同时运行数百万次模拟的能力，量子计算可以应用于
- 化学和生物工程：复杂的模拟能力可以让科学家发现和测试新的药物和资源，而不需要实验室实验的时间、风险和费用。
- 金融投资：预测市场波动是非常具有挑战性的，因为它们受到大量复合因素的影响。量子计算机可以模拟几乎无限的可能性，比标准机器更复杂、更准确。
- 操作和制造：一个给定的过程可能有数千个相互依赖的步骤，这使得制造中的优化问题很麻烦。由于有如此多的可能性的排列，模拟制造过程需要大量的计算，并且通常需要假设来最小化可能性的范围以适应计算的限制。量子计算机固有的并行性将使无限制的模拟成为可能，并在制造领域实现前所未有的优化。
叠加——固有的并行性
量子计算机依赖于叠加的概念。在量子力学中，叠加是指同时存在于多个状态中的概念。叠加的一个条件是它不能被直接观察到，因为观察本身迫使系统呈现一个奇异状态。当处于叠加态时，有一定的概率观察到任何给定的状态。
对叠加的直观理解
1935年，在给爱因斯坦的一封信中，物理学家欧文Schrödinger分享了一个思想实验，这个实验概括了叠加的概念。在这个思想实验中，Schrödinger描述了一只猫，它被密封在一个带有放射性原子的容器中，该原子有50%的几率衰变并释放出致命的辐射。Schrödinger解释说，在观察者打开盒子看里面之前，猫是死是活的概率是相等的。在打开盒子之前，我们观察到猫同时处于活着和死去的状态。打开盒子看猫的行为迫使它呈现出一种死或活的奇异状态。
叠加的实验理解
Thomas Young于 1801 年进行了一项更具体的实验，证明了叠加态，尽管叠加态的含义直到很久以后才被理解。在这个实验中，一束光对准一个有两个缝隙的屏幕。人们的期望是，对于每一个狭缝，一束光会出现在放置在屏幕后面的一块板上。然而，杨观测到几个增强光的峰和最小化光的槽，而不仅仅是两个光斑。这种模式使杨得出结论，光子在通过屏幕上的缝隙时，一定是以波的形式存在的。他得出这个结论是因为他知道当两个波相互拦截时，如果它们都达到峰值，它们就会叠加在一起，得到的统一波就会增强(产生光斑)。相反，当两个波处于相反的位置时，它们会相互抵消(产生暗槽)。
双分裂实验。左:光子只作为粒子时的预期结果。右:实际结果表明光子可以作为一种波。
虽然波粒二象性的结论仍然存在，但随着技术的发展，这个实验的意义也在不断发展。科学家发现，即使一次发射单个光子，背板上也会出现波纹。这意味着单个粒子通过两个狭缝并充当两个拦截的波。然而，当光子撞击电路板并被测量时，它显示为一个单独的光子。测量光子位置的行为迫使它重新组合为一个单一的状态，而不是存在于它穿过屏幕时所处的多个状态。这个实验说明了叠加现象。
双缝实验显示叠加态作为光子存在于多种状态，直到测量发生。左:引入测量设备后的结果。右:没有测量时的结果。
叠加在量子计算机中的应用
标准计算机通过操纵二进制数字（位）来工作，二进制数字以 0 和 1 两种状态之一存储。相比之下，量子计算机使用量子位（量子位）进行编码。量子位可以叠加存在，因此它们不局限于 0 或 1，而是既是 0 又是 1，以及一些 1 和 0 状态的许多组合。这种状态叠加允许量子计算机并行处理数百万个算法。
量子比特通常由光子和电子等亚原子粒子构成，双缝实验证实它们可以叠加存在。科学家们使用激光或微波束迫使这些亚原子粒子叠加。
John Davidson通过一个简单的例子解释了使用量子比特而不是比特的优势。因为标准计算机中的所有内容都是由 0 和 1 组成的，所以当在标准机器上运行模拟时，机器会迭代不同的 0 和 1 序列（即比较 00000001 和 10000001）。由于一个量子位同时存在 0 和 1，因此无需尝试不同的组合。相反，单个模拟将同时包含 0 和 1 的所有可能组合。这种固有的并行性允许量子计算机同时处理数百万个计算。
纠缠——指数处理能力
在量子力学中，纠缠的概念描述了量子粒子相互作用并变得纠缠的趋势，因为一个粒子的状态会受到另一个粒子状态的影响，因此它们不能再被孤立地描述。当两个粒子纠缠在一起时，它们的状态是相互依赖的，而不管它们彼此之间的接近程度。如果一个量子位的状态发生变化，成对的量子位状态也会立即发生变化。令人敬畏的是，爱因斯坦将这种与距离无关的伙伴关系描述为“远距离的幽灵般的行动”。
由于观察到一个量子粒子会迫使它处于孤立状态，科学家们已经发现，如果纠缠对中的一个粒子向上自旋，则配对粒子将具有相反的向下自旋。虽然仍未完全理解这种情况如何或为何发生，但其对量子计算的影响是巨大的。
左:两个叠加的粒子纠缠在一起。右图:观测结果迫使一个粒子向上自旋。作为回应，成对粒子开始向下自旋。即使这些粒子被距离分开，它们仍然是纠缠的，并且它们的状态相互依赖。
在量子计算中，科学家们利用了这种现象。空间设计的算法适用于纠缠的量子比特，可以大大加快计算速度。在标准计算机中，增加一点，就可以线性增加处理能力。因此，如果位数加倍，处理能力也会加倍。在量子计算机中，添加量子位会以指数方式提高处理能力。因此，添加一个量子位会大大提高计算能力。
退相干——量子误差
纠缠在为量子计算带来巨大优势的同时，实际应用也面临着严峻的挑战。如前所述，观察量子粒子会迫使它呈现特定状态，而不是继续以叠加态存在。在量子系统中，任何外部干扰（温度变化、振动、光等）都可以被认为是迫使量子粒子呈现特定状态的“观察”。随着粒子变得越来越纠缠和依赖于状态，它们特别容易受到影响系统的外部干扰。这是因为扰动只需要影响一个量子位，就会对更多纠缠的量子位产生螺旋效应。当一个量子位被迫进入 0 或 1 状态时，它会丢失叠加时包含的信息，从而在算法完成之前导致错误。这个挑战，所谓的退相干阻止了量子计算机在今天的使用。退相干性被测量为错误率。
某些物理错误减少技术已被用于最大限度地减少来自外界的干扰，包括将量子计算机保持在冰点温度和真空环境中，但到目前为止，它们还没有在量子错误率方面产生足够有意义的差异。科学家们也一直在探索纠错码，以在不影响信息的情况下修复错误。虽然谷歌最近部署了一种纠错码，导致错误率达到历史最低水平，但信息丢失仍然太高，无法在实践中使用量子计算机。减少错误是目前物理学家的主要关注点，因为它是实际量子计算中最重要的障碍。
尽管还需要做更多的工作才能让量子计算机变为现实，但很明显，利用量子计算部署高度复杂的人工智能和机器学习模型以增强各行各业的机会是巨大的。
